DE102022201578A1

DE102022201578A1 - Wärmebehandelter Rollenlagerring

Info

Publication number: DE102022201578A1
Application number: DE102022201578.9A
Authority: DE
Inventors: Feizhou Zhang; Staffan Larsson
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2022-08-25
Also published as: US20220268315A1; US11821465B2; CN114962460A

Abstract

Innen- oder Außenring für ein Rollenlager, wobei der Innen- oder Außenring aus einer Stahlzusammensetzung gebildet ist, die umfasst:von 0,30 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff;von 0,1 - 0,7 Gew.-% Silizium;von 0,6 - 0,9 Gew.-% Mangan;von 0,9 - 1,2 Gew.-% Chrom;von 0,15 - 0,7 Gew.-% Molybdän;von 0 - 2,0 Gew.-% Nickel;von 0 - 0,02 Gew.-% Phosphor;von 0 - 0,02 Gew.-% Schwefel; und der Rest Eisen, zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen;wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst; undwobei eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Metallurgie und auf die Wärmebehandlung von Rollenlagerringen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmebehandlung eines Innen- oder Außenrings für ein Rollenlager, das aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt gebildet ist. Der Innen- oder Außenring hat eine vergleichbare oder verbesserte Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerringen, die aus Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gebildet werden, jedoch bei geringeren Herstellungskosten.
Hintergrund
Lager sind Vorrichtungen, die eine eingeschränkte Relativbewegung zwischen zwei Teilen ermöglichen. Wälzlager umfassen innere und äußere Laufbahnen und eine Mehrzahl von dazwischen angeordneten Wälzkörpern (zum Beispiel Kugeln und/oder Rollen). Rollenlager sind Wälzkörperlager, bei denen die Wälzkörper Rollen sind, im Gegensatz zu z. B. Kugeln. Zu den Rollenlagern gehören z. B. kugelförmige und kegelförmige Rollenlager. Für eine langfristige Zuverlässigkeit und Leistung ist es wichtig, dass die verschiedenen Elemente eine hohe Beständigkeit gegen Rollermüdung, Verschleiß und Kriechen haben.
Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Metallkomponenten umfassen das Warmwalzen oder Warmschmieden, um eine Stange, einen Stab, ein Rohr oder einen Ring zu bilden, gefolgt von einem weichen Umformverfahren, um die gewünschte Komponente zu erhalten. Oberflächenhärtungsverfahren sind bekannt und werden eingesetzt, um die Härte von Oberflächen fertiger oder halbfertiger Komponenten lokal zu erhöhen und so z. B. die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Wälzlagern ist eine Reihe von Oberflächen- oder Einsatzhärtungsverfahren bekannt.
Üblicherweise wird bei Rollenlagern, wie z. B. Pendel- oder Kegelrollenlagern, der Innen- und/oder Außenring des Rollenlagers aus einem kohlenstoffarmen Stahl gebildet. Die Zusammensetzung eines typischen kohlenstoffarmen Stahls, der in herkömmlichen Ringen von Rollenlagern verwendet wird, ist wie folgt:

0,17 - 0,23 Gew.% Kohlenstoff;
0,15 - 0,40 Gew.% Silizium;
0,40 - 0,70 Gew.% Mangan;
0,35 - 0,64 Gew.% Chrom;
1,60 - 2,00 Gew.% Nickel;
0,20 - 0,30 Gew.% Molybdän;
0 - 0,02 Gew.% Phosphor;
0 - 0,02 Gew.% Schwefel; und
der Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Üblicherweise werden die in Rollenlagerringen verwendeten kohlenstoffarmen Stähle aufgekohlt und martensitisch gehärtet, um einen Ring mit geeigneter Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit für den Einsatz als Innen- oder Außenring eines Rollenlagers bereitzustellen. Aufgrund der relativ geringen Kernhärte des kohlenstoffarmen martensitischen Stahls (typischerweise weniger als 40 HRC) muss die aufgekohlte Einsatzschicht tief sein, um die erforderliche Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit zu erhalten. In diesem Zusammenhang liegen die typischen aufgekohlten Einsatzschichttiefen bei herkömmlichen Rollenlagerringen zwischen 1,8 und 3,5 mm. Die Bildung einer aufgekohlten Einsatzschicht auf einer Oberfläche der herkömmlichen kohlenstoffarmen Stähle mit einer solchen Einsatzschichttiefe führt unter anderem zu einem Wärmebehandlungsprozess mit einer langen Wärmebehandlungszykluszeit. Die bei der Herstellung herkömmlicher, aus kohlenstoffarmen Stählen gebildeter Rollenlagerringe erforderliche Wärmebehandlungszykluszeit beträgt z. B. für eine aufgekohlte Einsatzschicht von 3-3,5 mm typischerweise 25 bis 35 Stunden bei einer Temperatur von 950 bis 970°C. Je länger der Wärmebehandlungszyklus dauert, desto höher sind die Kosten für den Wärmebehandlungsprozess.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager bereitzustellen, der bei vergleichbarer oder verbesserter Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerringen kostengünstiger hergestellt werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wärmebehandlung bereitzustellen, um einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager mit vergleichbarer oder verbesserter Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerringen zu erhalten, wobei das Verfahren geringere Herstellungskosten im Vergleich zur Herstellung herkömmlicher Rollenlagerringe erfordert.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, zumindest einige der mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen oder zumindest eine kommerziell akzeptable alternative Lösung dafür bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Innen- oder Außenring für ein Rollenlager vorgeschlagen, wobei der Innen- oder Außenring aus einer Stahlzusammensetzung gebildet ist, die umfasst

von 0,30 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff;
von 0,1 - 0,7 Gew.-% Silizium;
von 0,6 - 0,9 Gew.-% Mangan;
von 0,9 - 1,2 Gew.-% Chrom;
von 0,15 - 0,7 Gew.-% Molybdän;
von 0 - 2,0 Gew.-% Nickel;
von 0 - 0,02 Gew.-% Phosphor;
von 0 - 0,02 Gew.-% Schwefel; und

Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Aspekte der Erfindung näher definiert. Jeder Aspekt bzw. jede Ausführungsform, wie sie hierin definiert sind, kann mit jedem anderen Aspekt bzw. jeder anderen Ausführungsform kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere können alle Merkmale, die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben sind, mit jedem anderen Merkmal, das als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben ist, kombiniert werden.
Rollenlager und deren Aufbau sind dem Fachmann bekannt. Die Form des Innen- oder Außenrings der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders begrenzt und kann die Form eines beliebigen herkömmlichen Innen- oder Außenrings für ein Rollenlager annehmen. Der Begriff „Innenring“, wie er hier verwendet wird, kann sich auf einen Rollenlagerring beziehen, der relativ zu den Wälzkörpern im Rollenlager radial einwärts angeordnet ist und daher eine Laufbahn auf einer radial äußeren Oberfläche des Innenrings hat. Der hier verwendete Begriff „Außenring“ kann sich auf einen Wälzlagerring beziehen, der relativ zu den Wälzkörpern im Rollenlager radial nach außen angeordnet ist und daher eine Laufbahn auf einer radial inneren Oberfläche des Außenrings hat. Der Innen- oder Außenring ist vorzugsweise für ein kugelförmiges oder kegelförmiges Rollenlager vorgesehen. Die physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Innen- oder Außenrings sind insbesondere für den Einsatz in kugelförmigen und/oder kegelförmigen Rollenlagern aufgrund der Belastungsanforderungen solcher Lager und der hohen Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Innen- oder Außenringe wünschenswert.
Die Kombination von Karbonitrierung und Bainithärtung der hier beschriebenen Stahlzusammensetzung eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Presspassung, hoher Betriebstemperatur und bei denen ein langes Serviceintervall erforderlich ist. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, geht man davon aus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Wärmebehandlung eine gute Härteerhaltung bei hohen Betriebstemperaturen, eine hohe Druckspannung und einen zähen Kern bewirkt.
Die Stahlzusammensetzung umfasst zwischen 0,30 und 0,45 Gew.-% Kohlenstoff. Dementsprechend handelt es sich bei der Stahlzusammensetzung um einen so genannten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. In Kombination mit den anderen Legierungselementen ergibt sich daraus die gewünschte bainitische Mikrostruktur, Belastbarkeit, Kernhärte und Kerbschlagzähigkeit. Im Vergleich zu den herkömmlichen kohlenstoffarmen Stählen, die in Rollenlagerringen wie kugelförmigen Lagern und Kegelrollenlagern verwendet werden, kann ein solcher Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt eine höhere Härte haben. Außerdem senkt der Kohlenstoff die Temperatur der Bainitumwandlung, so dass die gewünschte bainitische Mikrostruktur erreicht werden kann. Bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,45 Gew.-% verringert sich der maximale Volumenanteil des bainitischen Ferritabschnitts der Mikrostruktur. Bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,30 Gew.-% haben die Legierungen eine höhere Martensit-Starttemperatur und die bainitische Stahlzusammensetzung weist möglicherweise nicht die gewünschte Kernhärte und Kerbschlagzähigkeit auf. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,32 bis 0,43 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 0,35 bis 0,40 Gew.-% Kohlenstoff. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,39 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff.
Die Stahlzusammensetzung umfasst zwischen 0,1 und 0,7 Gew.-% Silizium. In Kombination mit den anderen Legierungselementen führt dies zu der gewünschten bainitischen Mikrostruktur mit einer minimalen Menge an Restaustenit. Silizium hat eine vernachlässigbare Löslichkeit in Karbiden, insbesondere bei hohen Temperaturen, wo seine Diffusionsfähigkeit ausreichend hoch ist, um nicht in Karbiden eingeschlossen zu werden. Silizium trägt auch dazu bei, übermäßige Ausscheidungen von Zementit und Karbidbildung zu unterdrücken. Darüber hinaus stabilisiert Silizium die Übergangskarbide und verbessert die Anlassbeständigkeit der Mikrostruktur des Stahls. Ein zu hoher Siliziumgehalt kann jedoch zu unerwünschten Oberflächenoxiden und einer schlechten Oberflächenbeschaffenheit sowie zu einer Verringerung der elastischen Eigenschaften der Matrix führen. Aus diesem Grund liegt der maximale Siliziumgehalt bei 0,7 Gew.-%. Bei einem Siliziumgehalt von weniger als 0,1 Gew.-% kann es schwierig sein, die gewünschte bainitische Mikrostruktur ohne erheblichen Restaustenit, z. B. mehr als 10 Vol.-% Restaustenit, zu erhalten. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,2 bis 0,6 Gew.-% Silizium, noch bevorzugter 0,3 bis 0,5 Gew.-% Silizium, noch bevorzugter 0,35 bis 0,45 Gew.-% Silizium. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,1 bis 0,4 Gew.-% Silizium.
Die Stahlzusammensetzung umfasst 0,6 bis 0,9 Gew.-% Mangan. In Kombination mit den anderen Legierungselementen verbessert Mangan die Härtbarkeit. Bei einem Mangangehalt von weniger als 0,6 Gew.-% ist eine Stahlzusammensetzung mit der gewünschten bainitischen Mikrostruktur und einer hohen Kernhärte möglicherweise nicht leicht zu erreichen. Außerdem erhöht Mangan die Stabilität von Austenit im Vergleich zu Ferrit. Ein Mangangehalt von mehr als 0,9 Gew.-% kann jedoch dazu führen, dass die Menge an Restaustenit steigt und die Umwandlungsrate in Bainit sinkt. Dies kann zu praktischen metallurgischen Problemen führen, wie z. B. einer zu starken Stabilisierung des Restaustenits, was zu potenziellen Problemen mit der Dimensionsstabilität der Komponenten des Lagers führt. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,65 bis 0,85 Gew.-% Mangan, besonders bevorzugt 0,7 bis 0,8 Gew.-% Mangan.
Die Stahlzusammensetzung umfasst 0,9 bis 1,2 Gew.-% Chrom. Chrom erhöht die Härtbarkeit und verringert die Bainit-Starttemperatur. Wenn der Chromgehalt unter 0,9 Gew.% liegt, ist eine Stahlzusammensetzung mit der gewünschten bainitischen Mikrostruktur und einer hohen Kernhärte möglicherweise nicht leicht zu erreichen. Bei einem Chromgehalt von mehr als 1,2 Gew.-% besteht möglicherweise ein erhöhtes Risiko von Entmischungsproblemen im Gefüge und in der Zusammensetzung des Stahls. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,95 bis 1,15 Gew.-% Chrom, noch bevorzugter 1,0 bis 1,1 Gew.-% Chrom.
Die Stahlzusammensetzung umfasst optional 0 bis 2,0 Gew.-% Nickel, zum Beispiel 0,1 bis 2,0 Gew.-% Ni. Nickel kann z. B. im Hinblick auf die allgemeine Zähigkeit und/oder die Kerbschlagzähigkeit von Vorteil sein. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 1,0 bis 2,0 Gew.-% Nickel. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0 bis 0,7 Gew.-% Nickel, zum Beispiel 0,1 bis 0,7 Gew.-% Ni.
Die Stahlzusammensetzung umfasst zwischen 0,15 und 0,7 Gew.-% Molybdän. Molybdän kann dazu beitragen, eine Versprödung der Austenitkorngrenzen aufgrund von Verunreinigungen wie z. B. Phosphor zu verhindern. Molybdän kann auch die Bainit-Starttemperatur senken und erhöht die Härtbarkeit, was wichtig ist, wenn der Stahl z. B. zur Herstellung eines großformatigen Lagerrings verwendet wird, der nach dem Abschrecken von hoher Temperatur eine Härtung bis zu einer relativ großen Tiefe erfordert. Bei einem Molybdängehalt von weniger als 0,15 Gew.-% ist eine Stahlzusammensetzung mit der gewünschten bainitischen Mikrostruktur und einer hohen Kernhärte unter Umständen nicht leicht zu erreichen. Der Molybdängehalt in der Legierung beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa 0,7 Gew.-%, da andernfalls die Umwandlung von Austenit in bainitischen Ferrit zu früh beendet werden kann, was dazu führen kann, dass erhebliche Mengen an Austenit im Gefüge verbleiben. Molybdän kann durch die Bildung fein verteilter Molybdänkarbide auch zu einer erhöhten Ermüdungsbeständigkeit beim Rollkontakt beitragen. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,2 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, noch bevorzugter 0,3 bis 0,5 Gew.-% Molybdän. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,15 bis 0,30 Gew.-% Molybdän.
Es wird deutlich, dass die hier erwähnte Stahlzusammensetzung unvermeidbare Verunreinigungen enthalten kann, obwohl diese insgesamt wahrscheinlich nicht mehr als 0,3 Gew.% der Zusammensetzung ausmachen. Vorzugsweise enthält die Stahlzusammensetzung unvermeidbare Verunreinigungen in einer Menge von nicht mehr als 0,1 Gew.-% der Zusammensetzung, vorzugsweise nicht mehr als 0,05 Gew.-% der Zusammensetzung. Insbesondere kann die Stahlzusammensetzung auch ein oder mehrere Verunreinigungselemente enthalten. Eine nicht erschöpfende Liste von Verunreinigungen umfasst zum Beispiel:

von 0 bis 0,02 Gew.-% Phosphor
von 0 bis 0,02 Gew.-% Schwefel
von 0 bis 0,04 Gew.-% Arsen
von 0 bis 0,075 Gew.-% Zinn
von 0 bis 0,075 Gew.-% Antimon
von 0 bis 0,002 Gew.-% Blei
von 0 bis 0,002 Gew.-% Bor

Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst vorzugsweise wenig oder keinen Phosphor, z. B. 0 bis 0,015 Gew.-% Phosphor.
Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst vorzugsweise wenig oder keinen Schwefel, z. B. 0 bis 0,015 Gew.-% Schwefel.
Die Stahlzusammensetzung umfasst vorzugsweise ≤ 15 ppm Sauerstoff. Sauerstoff kann als Verunreinigung vorhanden sein. Die Stahlzusammensetzung umfasst vorzugsweise ≤ 30 ppm Titan. Titan kann als Verunreinigung vorhanden sein. Die Stahlzusammensetzung umfasst vorzugsweise ≤ 20 ppm Bor. Die Stahlzusammensetzung umfasst vorzugsweise ≤ 50 ppm Calcium. Calcium kann als Verunreinigung vorhanden sein.
Die hier beschriebene Stahlzusammensetzung kann im Wesentlichen aus den oben genannten Elementen bestehen. Es versteht sich daher von selbst, dass zusätzlich zu den obligatorischen Elementen auch andere, nicht spezifizierte Elemente in der Zusammensetzung vorhanden sein können, sofern die wesentlichen Eigenschaften der Zusammensetzung durch ihr Vorhandensein nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Die hier beschriebene Stahlzusammensetzung kann aus den genannten Elementen bestehen.
Es wird deutlich, dass die Stahlzusammensetzung, die im Innen- oder Außenring für ein Rollenlager der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine bekannte Stahlzusammensetzung ist. Die Stahlzusammensetzung ist jedoch ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Üblicherweise werden für Rollenlagerringe Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwendet. Im Gegensatz dazu werden Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, wie sie hier beschrieben werden, üblicherweise für Großwälzlager verwendet, zum Beispiel. Großwälzlager werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die eine geringere Belastung pro Flächeneinheit und langsamere Lauf-/Drehgeschwindigkeiten als Rollenlager erfordern. Bisher war es nicht wünschenswert, die in Großwälzlagern verwendeten Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt z. B. in Rollenlagern zu verwenden, da diese eine relativ geringe Festigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Die üblicherweise in Großwälzlagern verwendeten Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, die nicht wie hier beschrieben wärmebehandelt wurden, würden weder die Anforderungen an die Tragfähigkeit noch an den Verschleißwiderstand für die Anwendungen von Rollenlagern erfüllen. Daher ist es überraschend und unerwartet, dass der in der vorliegenden Erfindung verwendete wärmebehandelte Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt die hier beschriebenen wünschenswerten Eigenschaften aufweist und dass ein geeigneter Innen- oder Außenring für ein Rollenlager mit akzeptablen Tragfähigkeits- und Verschleißfestigkeitseigenschaften für den Einsatz in typischen Rollenlageranwendungen bereitgestellt werden kann.
Die Verwendung eines solchen Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für einen Rollenlagerring ist zumindest deshalb vorteilhaft, weil die Verwendung des hier verwendeten Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt im Vergleich zu den herkömmlichen Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kostengünstiger ist. Allerdings müssen die Mikrostruktur des Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt sowie die Art und Tiefe der Einsatzschicht ausgewählt und optimiert werden, und die Wärmebehandlungsparameter müssen optimiert werden, um einen Ring aus diesem unkonventionellen Stahl bereitzustellen, der für die Verwendung als Innen- oder Außenring für ein Rollenlager geeignet ist, d. h. einen Rollenlagerring mit geeigneter Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit.
In diesem Zusammenhang umfasst die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung in der vorliegenden Erfindung Bainit. Beispielsweise umfasst die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung typischerweise mindestens 60 Vol.-% Bainit, typischer mindestens 80 Vol.-% Bainit, noch typischer mindestens 90 Vol.-% Bainit und noch typischer mindestens 95 Vol.-% Bainit. Die Methoden der Bainithärtung sind dem Fachmann gut bekannt. Die Wärmebehandlungsparameter müssen jedoch möglicherweise für den hier beschriebenen Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt optimiert werden, um einen geeigneten Rollenlagerring mit akzeptabler Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit zu erhalten. Die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung kann auch geringe Mengen an Martensit umfassen, beispielsweise weniger als 20 Vol.-% Martensit oder sogar weniger als 10 Vol.-%, insbesondere im Kern des Innen- oder Außenrings.
Vorzugsweise wird der Restaustenitgehalt in der Stahlzusammensetzung so gering wie möglich gehalten, um die Festigkeit, Härte und insbesondere die Dimensionsstabilität zu verbessern. Die Menge an Restaustenit beträgt typischerweise weniger als 10 Vol.-%, typischerweise weniger als 5 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen ist die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung frei oder im Wesentlichen frei von Restaustenit. In einigen Ausführungsformen kann die Stahlzusammensetzung jedoch eine geringe Menge an Restaustenit umfassen, was für die Verlängerung der Lebensdauer des Lagers von Vorteil sein kann. Die Mikrostruktur kann auch kleine Karbid-, Nitrid- und/oder Karbonnitridausscheidungen enthalten, z. B. Ausscheidungen im Nanobereich, typischerweise mit einer Durchschnittsgröße von 5-30 nm, oder Ausscheidungen im Mikrobereich, typischerweise mit einer Durchschnittsgröße von 1-10 µm. Das Vorhandensein solcher Ausscheidungen kann die Verschleißfestigkeit der Laufbahn verbessern. Derartige Ausscheidungen stellen typischerweise nicht mehr als 5 Vol%, typischerweise nicht mehr als 3 Vol% der Mikrostruktur her, beispielsweise 0,5 bis 3 Vol%. In einer Ausführungsform ist das Gefüge frei oder zumindest im Wesentlichen frei von Karbiden, Nitriden und/oder Karbonitriden.
Die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung kann durch herkömmliche Mikrostruktur-Charakterisierungsverfahren wie z. B. optische Mikroskopie, TEM, SEM, AP-FIM und Röntgenbeugung, einschließlich Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Verfahren, bestimmt werden.
Unter anderem kann eine solche Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung eine wünschenswerte Kernhärte verleihen und damit zum Beispiel dem Innen- oder Außenring eine wünschenswerte Belastbarkeit verleihen. Diese hohe Kernhärte des bainitischen Mittelkohlenstoffstahls kann es auch ermöglichen, die Tiefe der Einsatzschicht im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerringen zu verringern, wodurch die erforderliche Wärmebehandlungszykluszeit und damit die Herstellungskosten reduziert werden.
In diesem Zusammenhang ist bei der vorliegenden Erfindung eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt. Karbonitrierende Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Allerdings müssen die Karbonitrierungsparameter für den hier beschriebenen Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt möglicherweise optimiert werden, um einen geeigneten Rollenlagerring mit akzeptabler Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit zu erhalten. Durch die karbonitrierte Einsatzschicht ist die Oberfläche des Innen- oder Außenrings mit einer höheren Oberflächenhärte und damit mit einer höheren Verschleißfestigkeit versehen.
Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung des hier beschriebenen Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager, wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst und wobei eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt ist, es ermöglicht, einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager bereitzustellen, der eine vergleichbare oder verbesserte Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerringen, die beispielsweise Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwenden, aufweisen kann, während er zu niedrigeren Herstellungskosten bereitgestellt wird.
Typischerweise ist die karbonitrierte Gehäuseschicht zumindest auf der Laufbahnoberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt. Dies liegt zumindest daran, dass auf der Laufbahn eine hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit besonders erwünscht ist. Die karbonitrierte Einsatzschicht kann jedoch auch auf jeder anderen Oberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt werden und ist nicht auf die Laufbahnoberfläche beschränkt.
Die karbonitrierte Gehäuseschicht hat vorzugsweise eine Gehäuseschichttiefe von 0,7 bis 3,5 mm, besonders bevorzugt von 1,0 bis 2,5 mm. In einigen Ausführungsformen hat die karbonitrierte Gehäuseschicht eine Gehäuseschichttiefe von 1,0 bis 1,8 mm oder sogar 1,0 bis 1,6 mm. Bei herkömmlichen Rollenlagerringen beträgt die aufgekohlte Gehäuseschichttiefe typischerweise 1,8 bis 3,5 mm. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, kann diese Verringerung der Einsatzschichttiefe durch die Verwendung von bainitischem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für den Innen- oder Außenring möglich sein. Gemäß der Theorie des Hertz'schen Spannungsmodells kann die Aufkohlungsdicke von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt im Vergleich zur herkömmlichen Aufkohlung von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beispielsweise um ein Drittel reduziert werden. Die Kernhärte herkömmlicher Rollenlagerringe aus kohlenstoffarmem Stahl (nach Aufkohlung und martensitischer Härtung) beträgt in der Regel 40 HRC oder weniger. Die Kernhärte des bainitischen Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt der vorliegenden Erfindung ist jedoch typischerweise größer als 40 HRC. Dementsprechend kann die Einsatzschichttiefe unter Beibehaltung einer geeigneten Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit des Innen- oder Außenrings verringert werden, wodurch sich die Prozesszeit beispielsweise um 1/3 bis 1/4 reduzieren lässt. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellungskosten von Rollenlagerringen deutlich gesenkt werden können. Beispielsweise kann eine Schichttiefe von 1,8 bis 2,5 mm im mittelkohlenstoffhaltigen Stahl der vorliegenden Erfindung vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie eine Schichttiefe von 2,5 bis 3,0 mm auf einem kohlenstoffarmen Stahl des Standes der Technik, wenn er den gleichen Belastungsanforderungen ausgesetzt ist. Im Allgemeinen hat die dünnere karbonitrierte Einsatzschicht der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen aufgekohlten Ringen aus kohlenstoffarmem Stahl sowohl im Außenring als auch im Innenring eine bessere oder gleichwertige Verschleißfestigkeit auf der Laufbahn. Unter der Laufbahn weist der Innen- oder Außenring der vorliegenden Erfindung eine wünschenswerte Zähigkeit auf.
Die Einsatzschichttiefe kann mit herkömmlichen, auf dem Gebiet bekannten Verfahren gemessen werden. Geeignete Verfahren sind z. B. die Untersuchung eines Querschnitts des Innen- oder Außenrings durch optische Mikroskopie, TEM, SEM, AP-FIM und Röntgenbeugung oder Kombinationen aus zwei oder mehreren dieser Verfahren.
Vorzugsweise umfasst die Mikrostruktur der Gehäuseschicht weniger als 3 Vol.-% Restaustenit, vorzugsweise im Wesentlichen keinen Restaustenit. Wenn das Lager abgedichtet und gut geschmiert ist und kein Metall-auf-Metall-Kontakt besteht, ist es im Allgemeinen nicht von Vorteil, Restaustenit in der Mikrostruktur der Gehäuseschicht zu haben. Wenn jedoch Fremdkörper in das Lager eindringen können und nur ein teilweiser Schmierfilm und/oder Metall-Metall-Kontakt besteht, kann es von Vorteil sein, eine kleine Menge Austenit in der Mikrostruktur der Gehäuseschicht beizubehalten, zum Beispiel 10 bis 20 Vol.-%. Dies kann je nach Konstruktion des Lagers die Ermüdung des Rollkontakts erhöhen und Abplatzungen und/oder Lochfraß unterdrücken. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen die Mikrostruktur der Gehäuseschicht Austenit umfassen, z. B. 10 bis 20 Vol.-% Restaustenit. Der Austenit kann bereits vor dem Bainit-Härtungsschritt bei der Herstellung des Innen- oder Außenrings in der Gehäuseschicht enthalten sein. Dadurch kann der Innen- oder Außenring mit einer höheren Oberflächenhärte und damit einer höheren Verschleißfestigkeit versehen werden. Dies ist besonders wichtig für die Laufbahnoberfläche.
Der Innen- oder Außenring der vorliegenden Erfindung hat typischerweise eine Kernhärte von mehr als 40 HRC, vorzugsweise mehr als 45 HRC. In einer Ausführungsform hat der Innen- oder Außenring eine Kernhärte von 40 bis 48 HRC. In der Regel ist die Kernhärte nicht größer als 50 HRC. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die hohe Härte des bainitischen Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt vorteilhafterweise eine geringere Schichttiefe des Innen- oder Außenrings, wodurch die Herstellungskosten des Innen- oder Außenrings gesenkt werden können.
Die hier verwendete Einheit „HRC“ bezieht sich auf die Rockwell-C-Skala und ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Die Messung der Härte auf der Rockwell-C-Skala kann mit jeder dem Fachmann bekannten Einkerbungsmethode durchgeführt werden. Zur Messung der Kernhärte des Innen- oder Außenrings kann auch die Vickers-Härteprüfung verwendet werden. Herkömmliche Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Der Innen- oder Außenring hat vorzugsweise eine Druckeigenspannung von -200 MPa oder weniger in einem senkrechten Abstand von 100 µm oder mehr von der karbonitrierten Oberfläche des Innen- oder Außenrings, vorzugsweise -300 MPa oder weniger, noch bevorzugter -400 MPa oder weniger. Typischerweise liegt die Restdruckfestigkeit in einem senkrechten Abstand von 100 µm oder mehr von der karbonitrierten Oberfläche des Innen- oder Außenrings zwischen -200 und -900 MPa. Vorteilhaft ist, dass die höhere Druckeigenspannung die Ermüdungslebensdauer des Lagers verbessern kann. Dies steht im Gegensatz zu einer Druckeigenspannung von etwa -200 MPa beim martensitischen Abschrecken des Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Vorzugsweise hat die Laufbahn des Innen- oder Außenrings eine positive Druckeigenspannung von 500 bis 600 MPa an der Oberfläche. Eine solche Druckeigenspannung kann die Ermüdungslebensdauer des Lagers verbessern. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass das hier beschriebene Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung des Innen- oder Außenrings zu den oben genannten Druckeigenspannungen im Ring führt, zum Beispiel aufgrund des Bainit-Härtungsprozesses. Die Druckeigenspannung kann mit einem Röntgenbeugungsanalysator gemessen werden. Konventionelle Techniken sind dem Fachmann bekannt.
Vorteilhafterweise weist der Innen- oder Außenring auch eine hohe Kerbschlagzähigkeit auf. Die Kerbschlagzähigkeit des Bainits ist in der Regel höher als die des Martensits bei gleicher Härte.
Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Bearbeitungseigenschaften (sowohl bei der Warm- als auch bei der Kaltbearbeitung) nicht wesentlich zwischen den Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt aus dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung.
Der Innen- oder Außenring der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise für ein Kegelrollenlager mit einem Außendurchmesser von etwa 230 mm und einem Innendurchmesser von etwa 130 mm verwendet werden. Es wird j edoch davon ausgegangen, dass jede geeignete Größe des Innen- oder Außenrings innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung bereitgestellt, um einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager zu erhalten, wobei das Verfahren umfasst:

(i) Bereitstellen eines Rings, der aus einer Stahlzusammensetzung gebildet ist, die umfasst:
- von 0,30 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff;
- von 0,1 - 0,7 Gew.-% Silizium;
- von 0,6 - 0,9 Gew.-% Mangan;
- von 0,9 - 1,2 Gew.-% Chrom;
- von 0,15 - 0,7 Gew.-% Molybdän;
- von 0 - 2,0 Gew.-% Nickel;
- von 0 - 0,02 Gew.-% Phosphor;
- von 0 - 0,02 Gew.-% Schwefel; und
der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen;
(ii) Behandeln des Rings mit einem Karbonitrierverfahren, um einen karbonitrierten Ring zu erhalten, wobei eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des karbonitrierten Rings bereitgestellt wird;
(iii) Erhitzen des karbonitrierten Rings, um die Stahlzusammensetzung zumindest teilweise zu austenitisieren;
(iv) Halten des karbonitrierten Rings bei einer Temperatur von 210°C bis 250°C für 4 bis 7 Stunden nach Schritt (iii), um einen wärmebehandelten Ring zu erhalten, wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst; und
(v) Rückgewinnung des wärmebehandelten Rings.

Der Innen- oder Außenring, der für das hier beschriebene Wärmebehandlungsverfahren bereitgestellt ist, kann durch jedes herkömmliche, dem Fachmann bekannte Verfahren erhalten werden. Beispielhaft kann ein Ring für die Wärmebehandlung wie folgt bereitgestellt werden. Zunächst wird die Stahlzusammensetzung hergestellt und gegossen. Die Stahlzusammensetzung kann dann einem konventionellen Hochtemperatur-Weichenschritt unterzogen werden, gefolgt von einem Warmwalzen, typischerweise bei einer Anfangstemperatur von etwa 1150°C. Erforderlichenfalls können mehrere Warmwalzstiche durchgeführt werden. Der warmgewalzte Stahl, der in Stab- oder Blechform vorliegen kann, wird dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Bildung von kohlenstoffreichem Martensit zu vermeiden. Ein typisches bevorzugtes Gefüge im warmgewalzten Zustand bei Raumtemperatur ist Perlit.
Das warmgewalzte Material kann dann optional in einem Homogenisierungsschritt homogenisiert werden, z. B. durch eine Behandlung bei ca. 1200 °C für etwa 24 bis 48 Stunden im Vakuum. Optional kann das Material anschließend im Ofen abgekühlt werden, um es langsam auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen, ebenfalls unter Vakuum.
Das Material kann dann in einem Bearbeitungsschritt zu endkonturnahen Komponenten bearbeitet werden, d. h. zu dem Innen- oder Außenring, der in dem hier beschriebenen Verfahren verwendet wird.
In Schritt (ii) des hier beschriebenen Verfahrens wird der Ring einem Karbonitrierungsprozess unterzogen, um einen karbonitrierten Ring zu erhalten. Der karbonitrierte Ring hat eine karbonitrierte Einsatzschicht, die auf einer seiner Oberflächen bereitgestellt ist. Karbonitrierungsprozesse sind dem Fachmann im Allgemeinen bekannt. Das Karbonitrieren kann das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre umfassen, die z. B. Kohlenmonoxid und Ammoniak enthält.
Die Gesamtdauer des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) beträgt vorzugsweise 5 bis 35 Stunden, je nach der erforderlichen Schichttiefe. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdauer des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) weniger als 25 Stunden. In einigen Ausführungsformen beträgt die Gesamtdauer des karbonitrierten Verfahrens von Schritt (ii) zwischen 10 und 23 Stunden. Beträgt die Gesamtdauer des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) beispielsweise etwa 22 Stunden, kann eine Schichttiefe von 2,5 bis 3,0 mm erhalten werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, hängt die Dauer des Karbonitrierens zumindest von der gewünschten Gehäuseschichttiefe und der Heiztemperatur ab.
Die Bedingungen des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) umfassen vorzugsweise das Erhitzen des Rings auf eine Temperatur von 850°C bis 970°C in einer Atmosphäre mit einer Kohlenmonoxidkonzentration von 5 bis 25 Vol.-% und einer Ammoniakkonzentration von 5 bis 15 Vol. In einigen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) zum Beispiel das Erhitzen des Rings auf eine Temperatur von 850°C bis 900°C. In anderen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) das Erhitzen des Rings auf eine Temperatur von 900°C bis 970°C oder von 870°C bis 920°C. In einigen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsverfahrens von Schritt (ii) zum Beispiel das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einer Kohlenmonoxidkonzentration von 5 bis 15 Vol.%. In anderen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsverfahrens von Schritt (ii) das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einer Kohlenmonoxidkonzentration von 15 bis 25 Vol.-% oder von 10 bis 20 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsverfahrens von Schritt (ii) beispielsweise das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einer Ammoniakkonzentration von 5 bis 10 Vol.-%. In anderen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsverfahrens von Schritt (ii) das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einer Ammoniakkonzentration von 10 bis 15 Vol.-% oder von 7 bis 13 Vol.-%. In einigen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsverfahrens von Schritt (ii) beispielsweise das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpotenzial von 0,6 bis 0,8 %. In anderen Ausführungsformen umfassen die Bedingungen des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) das Erhitzen des Rings in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpotenzial von 0,8 bis 1,2 % oder von 0,7 bis 1,1 %.
Geeignete Vorrichtungen und Verfahren zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Atmosphäre für den Karbonitrierungsprozess sind dem Fachmann bekannt. So kann beispielsweise eine Sauerstoffsonde und/oder ein Kohlenstoffmessgerät verwendet werden. Geeignete konventionelle Techniken sind dem Fachmann bekannt.
In Schritt (iii) des hier beschriebenen Verfahrens wird der karbonitrierte Ring erhitzt, um die Stahlzusammensetzung zumindest teilweise zu austenitisieren. Vorzugsweise umfasst Schritt (iii) das Erhitzen des karbonitrierten Rings auf eine Temperatur von 860°C bis 880°C für 60 bis 90 Minuten. Noch bevorzugter umfasst Schritt (iii) das Erhitzen des karbonitrierten Rings auf eine Temperatur von 865°C bis 875°C für beispielsweise 70 bis 80 Minuten. Austenitischer Stahl und seine Struktur sind dem Fachmann gut bekannt.
In Schritt (iv) des hier beschriebenen Verfahrens wird der karbonitrierte Ring nach Schritt (iii) für 4 bis 7 Stunden bei einer Temperatur von 210°C bis 250°C gehalten, um einen wärmebehandelten Ring zu erhalten, wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst. In einigen Ausführungsformen wird der karbonitrierte Ring bei einer Temperatur von z.B. 210°C bis 230°C gehalten. In anderen Ausführungsformen wird der karbonitrierte Ring bei einer Temperatur von 230°C bis 250°C oder von 220°C bis 240°C gehalten. In einigen Ausführungsformen wird der karbonitrierte Ring 5 bis 6 Stunden lang bei einer Temperatur von 210°C bis 250°C gehalten. In der Regel wird der karbonitrierte Ring mit Hilfe eines Salzbades auf einer solchen Temperatur gehalten. Es können jedoch auch andere Methoden der Abschreckung und/oder Temperaturkontrolle verwendet werden. Je kürzer die Zeitspanne ist, in der der karbonitrierte Ring auf der bainitischen Umwandlungstemperatur gehalten wird, desto kosteneffizienter ist der gesamte Prozess, wie Fachleute wissen. Daher ist eine kürzere Dauer wünschenswert.
Das Bainit-Härteverfahren (Umwandlung) kann z. B. eine, zwei oder drei Umwandlungsstufen umfassen, die alle bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Ziel ist es, die Härte und die Gesamtumwandlungszeit zu optimieren. Nachdem die Bainitumwandlung beendet ist, werden die Komponenten normalerweise auf Raumtemperatur abgekühlt.
Vorteilhafterweise hat das hier beschriebene Wärmebehandlungsverfahren eine kürzere Wärmebehandlungszykluszeit im Vergleich zu Methoden der Wärmebehandlung herkömmlicher Rollenlagerringe mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, z. B. Aufkohlung und anschließendes martensitisches Härten. Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass das hier beschriebene Verfahren diese kürzere Wärmebehandlungszykluszeit vorteilhaft erreicht und gleichzeitig in der Lage ist, einen Innen- oder Außenring mit hoher Verschleißfestigkeit und hoher Belastbarkeit bereitzustellen, so dass der Innen- oder Außenring für den Einsatz in einem Rollenlager geeignet ist. Dementsprechend kann ein Innen- oder Außenring für ein Rollenlager zu geringeren Herstellungskosten bereitgestellt werden.
Optional kann der hier beschriebene Innen- oder Außenring einer Oberflächenveredelungstechnik unterzogen werden. Zum Beispiel Brünieren - insbesondere für Laufbahnen -, gefolgt von Härten und Luftabkühlung. Anschließend kann der Innen- oder Außenring durch Hartdrehen und/oder Schleifen, wie Läppen und Honen, fertiggestellt werden.
Durch das Glätten und Anlassen kann sich die Streckgrenze der betroffenen Bereiche drastisch erhöhen, was zu einer deutlichen Verbesserung der Härte, der Druckeigenspannung und der Beständigkeit gegen Rollkontaktermüdung führt.
Es versteht sich, dass das hier offenbartes Verfahren der Wärmebehandlung nicht auf Innen- oder Außenringe von Rollenlagern beschränkt ist. Beispielsweise kann das hier offenbartes Verfahren auch für jede beliebige Komponente eines Lagers, wie z. B. den Innen- und/oder Außenring oder den Wälzkörper, angewendet werden, solange die Eigenhärte für den Ringwandquerschnitt, den Rollendurchmesser und/oder den Kugeldurchmesser ausreichend ist. Somit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Wälzkörper, beispielsweise eine Rolle oder ein kugelförmiger Wälzkörper, bereitgestellt, der wie hierin beschrieben wärmebehandelt worden ist, sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung, wie hierin beschrieben, um einen solchen Wälzkörper zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Innen- oder Außenring, wie hierin beschrieben, bereitgestellt, wobei der Innen- oder Außenring durch ein hierin beschriebenes Verfahren wärmebehandelt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Rollenlager bereitgestellt, das einen Innenring und/oder einen Außenring, wie hierin beschrieben, umfasst.
Dementsprechend wendet sich die vorliegende Erfindung unerwartet gegen die Konvention der Verwendung von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bei der Herstellung von Rollenlagerringen, um einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager bereitzustellen, der aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt gebildet ist, wobei der Innen- oder Außenring überraschenderweise vergleichbare oder sogar verbesserte physikalische und mechanische Eigenschaften aufweist, z. B. Verschleißfestigkeit und Lastaufnahme, und das alles bei niedrigeren Herstellungskosten.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die folgenden nicht-einschränkenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Rollenlagers (allgemein mit 1 bezeichnet) zeigt, das einen Innenring 2, einen Außenring 3 und eine Mehrzahl von dazwischen angeordneten Rollenlagerelementen (Rollen) 4 umfasst, in axialer Richtung gesehen.
2 die in Beispiel 1 verwendeten Bedingungen für das Karbonitrieren zeigt.
3 ein Diagramm der Eigenspannung in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche für die Probe 1# aus Beispiel 1 zeigt.
4 den Verlauf der Eigenspannung in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche für die Probe 3# aus Beispiel 1 zeigt.
5 den Verlauf der Eigenspannung in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche für die Probe 2# aus Beispiel 1 zeigt.

1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des Querschnitts eines Rollenlagers 1, das einen Innenring 2, einen Außenring 3 und eine Mehrzahl von dazwischen angeordneten Rollenlagerelementen (Rollen) 4 umfasst, in axialer Richtung gesehen. Es wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration ausgelegt ist und dass die vorliegende Erfindung für die Verwendung in jeder herkömmlichen Rollenlager-Konfiguration geeignet sein kann. In den folgenden Beispielen wird auf die übrigen Figuren Bezug genommen.
Beispiele
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Ein Prototyp eines Innenrings eines Lagers vom Typ 22220 wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Der Innenring wurde aus einer Stahlzusammensetzung der Güte SKF42 gebildet, die gemäß der hier beschriebenen Stahlzusammensetzung ist.
Der Innenring eines Lagers vom Typ 22220 wurde in zwei Schritten unter den folgenden Bedingungen karbonitriert:

Karbonitrierungsparameter Schritt 1:
- Temperatur : 820°C
- Zeit: 4 Stunden
- Cp: 0.85%
- CO: 15 Vol.%
- NH₃: 15 Vol.%
Karbonitrierungsparameter Schritt 2:
- Temperatur : 940°C
- Zeit: 17 Stunden
- Cp: 1.1%
- CO: 20 Vol.%
- NH₃: 15 Vol.%

Der karbonitrierte Ring wurde dann an der Luft auf 100 °C abgekühlt.
Die Bedingungen des Karbonitrierens sind in 2 zusammengefasst. Die Einsatztiefe betrug etwa 1,5 mm, berechnet durch mikroskopische Analyse.
Die karbonitrierten Proben wurden einer Reihe von Nachhärtetests unterzogen, die sowohl martensitisches als auch bainitisches Abschrecken umfassten. Diese werden im Folgenden zusammengefasst:

1# : 865°C 75 min / 210°C 10 min / 215°C 660 min / 240°C 300 min
2# : 865°C 75 min / 180°C 10 min / Luftkühlung 30 min / 7°C druckabgeschreckt 30min / 235°C 120 min
3# : 870°C 75 min / 215°C 10 min / 215°C 300 min / 240°C 160 min 4# : 800°C 80 min / 65°C in Öl 10 min / 10°C Wasser 10 min / 190°C 240 min

Die Proben 1# und 3# wurden bainitisch abgeschreckt, die Proben 2# und 4# martensitisch abgeschreckt und dienten als Vergleichsbeispiele.

Die entstandenen Innenringe wurden auf ihre Härte und ihre Mikrostrukturen geprüft. Tabelle 1 zeigt die Oberflächen- und Kernhärte der einzelnen Proben (d.h. in einer Tiefe von 0,1, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 und 4,5 mm unter der Oberfläche). Tabelle 1:

Probe No. (22220 Innenringe)			Härte	Kurve	(HRC)
	0,1 mm	0,5 mm	1,0 mm	1,5 mm	2,5 mm	4,5 mm
1#	60,0	59,7	58,5	56,6	54,4	53,9
2#	60,4	60,7	59,6	57,2	54,6	54,3
3#	60,4	60,5	59,7	57,9	54,3	54,0
4#	62,0	61,7	60,0	57,6	55,7	54,8

Obwohl die Härte und die Mikrostruktur aller Proben akzeptabel waren, zeigten die Eigenspannungsprüfungen, dass die Druckeigenspannung nach dem Bainit-Abschrecken nahe bei -400 MPa lag, nach dem Martensit-Abschrecken jedoch nur bei etwa -100 MPa (siehe 3 für Probe 1#, 4 für Probe 3# und 5 für Probe 2#).
Die höhere Druckeigenspannung ist für die Erhöhung der Ermüdungslebensdauer des Lagers von Vorteil. Vergleicht man die Wärmebehandlungsdauer der Proben 1# und 3#, so beträgt der Zeitaufwand während der Bainitumwandlung bei 3# 460 min (215°C / 300 min und 240°C / 160 min), bei 1# jedoch 960 min (215°C / 660 min und 240°C / 300 min). Die Wärmebehandlung in 3# wäre daher vorzuziehen, da der Zeitaufwand geringer ist als bei 1#. Ein noch kürzerer Zeitaufwand ist vorzuziehen.
Beispiel 2
Zwei Sätze von Lagern des Typs 197726 wurden gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich hergestellt und für Eisenbahnwaggons verwendet. Der Innenring und der Außenring wurden aus einer Stahlzusammensetzung der Güte SKF42 gebildet, die gemäß der hier beschriebenen Stahlzusammensetzung ist.
Kegelrollenlager des Typs 197726 haben die folgenden Abmessungen Außendurchmesser: 230 mm
Innendurchmesser: 130 mm
Durchmesser der Rollen: (großes Ende) 24,74 mm
Breite: 150 mm
Anzahl der Rollen: 42 (zwei Innenringe)
Die vorstehende detaillierte Beschreibung ist zur Erläuterung und Veranschaulichung bereitgestellt worden und soll den Umfang der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Viele Variationen der hierin dargestellten, derzeit bevorzugten Ausführungsformen sind für einen Fachmann offensichtlich und fallen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Entsprechungen.

Claims

Innen- oder Außenring für ein Rollenlager, wobei der Innen- oder Außenring aus einer Stahlzusammensetzung gebildet ist, die umfasst: von 0,30 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff; von 0,1 - 0,7 Gew.-% Silizium; von 0,6 - 0,9 Gew.-% Mangan; von 0,9 - 1,2 Gew.-% Chrom; von 0,15 - 0,7 Gew.-% Molybdän; von 0 - 2,0 Gew.-% Nickel; von 0 - 0,02 Gew.-% Phosphor; von 0 - 0,02 Gew.-% Schwefel; und der Rest Eisen, zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen; wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst; und wobei eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des Innen- oder Außenrings bereitgestellt ist.
Innen- oder Außenring nach Anspruch 1, wobei die karbonitrierte Einsatzschicht eine Einsatzschichttiefe von 0,7 bis 3,5 mm, vorzugsweise von 1,0 bis 2,5 mm, hat.
Innen- oder Außenring nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Innen- oder Außenring eine Kernhärte von mehr als 45 HRC hat.
Innen- oder Außenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Innen- oder Außenring eine Restdruckspannung von -200 MPa oder weniger in einem senkrechten Abstand von 100 µm oder mehr von der karbonitrierten Oberfläche des Innen- oder Außenrings, vorzugsweise von -200 MPa bis -900 MPa, besonders bevorzugt - 300 MPa oder weniger, hat.
Verfahren zur Wärmebehandlung, um einen Innen- oder Außenring für ein Rollenlager zu erhalten, wobei das Verfahren folgendes umfasst: (i) Bereitstellen eines Rings, der aus einer Stahlzusammensetzung gebildet ist, die umfasst: von 0,30 - 0,45 Gew.-% Kohlenstoff; von 0,1 - 0,7 Gew.-% Silizium; von 0,6 - 0,9 Gew.-% Mangan; von 0,9 - 1,2 Gew.-% Chrom; von 0,15 - 0,7 Gew.-% Molybdän; von 0 - 2,0 Gew.-% Nickel; von 0 - 0,02 Gew.-% Phosphor; von 0 - 0,02 Gew.-% Schwefel; und der Rest Eisen zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen; (ii) Behandeln des Rings mit einem Karbonitrierverfahren, um einen karbonitrierten Ring zu erhalten, wobei eine karbonitrierte Einsatzschicht auf einer Oberfläche des karbonitrierten Rings bereitgestellt wird; (iii) Erhitzen des karbonitrierten Rings, um die Stahlzusammensetzung zumindest teilweise zu austenitisieren; (iv) Halten des karbonitrierten Rings bei einer Temperatur von 210°C bis 250°C für 4 bis 7 Stunden nach Schritt (iii), um einen wärmebehandelten Ring zu erhalten, wobei die Mikrostruktur der Stahlzusammensetzung Bainit umfasst; und (v) Rückgewinnen des wärmebehandelten Rings.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gesamtdauer des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) 5 bis 35 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Bedingungen des Karbonitrierungsprozesses von Schritt (ii) das Erhitzen des Rings auf eine Temperatur von 850°C bis 970°C in einer Atmosphäre mit einer Kohlenmonoxid-Konzentration von 5 bis 25 Vol.-% und einer Ammoniakkonzentration von 5 bis 15 Vol.-% einschlie-ßen, wobei das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre vorzugsweise 0,6 bis 1,2 % beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei Schritt (iii) das Erhitzen des karbonitrierten Rings auf eine Temperatur von 860°C bis 880°C für 60 bis 90 Minuten umfasst.
Innen- oder Außenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Innen- oder Außenring nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 wärmebehandelt worden ist.
Rollenlager, umfassend einen Innenring und/oder Außenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder nach Anspruch 9.