DE102023210067A1

DE102023210067A1 - Process for heat treatment of a steel component

Info

Publication number: DE102023210067A1
Application number: DE102023210067.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Roman Weimann; Wijbe BUISING; Pei Rose Yan; Stefan Geerts
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2023-10-13
Publication date: 2024-04-18
Also published as: CN117904419A; US20240124950A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente, wobei das Verfahren umfasst:(i) Bereitstellen einer Stahlkomponente, die aus einem Lagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt gebildet ist;(ii) Erwärmen der Komponente auf eine Temperatur bei oder oberhalb der Austenitisierungstemperatur und Halten der Komponente für eine Zeit, die ausreicht, um den Stahl zumindest teilweise austenitisieren zu lassen;(iii) Abkühlen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden, vorzugsweise für höchstens 4 Stunden, wodurch zumindest ein Abschnitt des Austenits in Bainit umgewandelt wird;(iv) Abkühlen und/oder Abschrecken der Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C, wodurch Martensit gebildet wird; und(v) Wiederholung der Schritte (iii) und (iv) durch Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden, bevor die Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C abgekühlt und/oder abgeschreckt wird, wodurch ein weiterer Abschnitt des Austenits in Bainit umgewandelt und angelassener Martensit gebildet wird.A method of heat treating a steel component, the method comprising:(i) providing a steel component formed from a high carbon bearing steel;(ii) heating the component to a temperature at or above the austenitizing temperature and holding the component for a time sufficient to cause the steel to at least partially austenitize;(iii) cooling the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours, preferably for a maximum of 4 hours, thereby converting at least a portion of the austenite to bainite;(iv) cooling and/or quenching the component to a temperature of -30°C to 30°C, thereby forming martensite; and(v) repeating steps (iii) and (iv) by heating the component to a temperature of from 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before cooling and/or quenching the component to a temperature of from -30°C to 30°C, thereby converting a further portion of the austenite to bainite and forming tempered martensite.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente. Beispiele für geeignete Stahlkomponenten umfassen Komponenten für Lager oder dergleichen, wie einen Wälzkörper, eine Rolle oder eine Kugel und/oder einen Innen- oder Außenring. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Innen- oder Außenring für ein Lager. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Komponenten für Lager, die in der Fachwelt üblicherweise als „Großlager“ bezeichnet werden. Insbesondere eignen sich die Lager für Anwendungen wie z. B. in Hauptwellen von Windkraftanlagen.The present invention relates to a method for heat treating a steel component. Examples of suitable steel components include components for bearings or the like, such as a rolling element, a roller or a ball and/or an inner or outer ring. The present invention also relates to an inner or outer ring for a bearing. The present invention is particularly suitable for components for bearings, which are usually referred to in the art as "large bearings". In particular, the bearings are suitable for applications such as in main shafts of wind turbines.

Hintergrundbackground

Lager sind Vorrichtungen, die eine zwangsläufige Relativbewegung zwischen zwei Teilen ermöglichen. Wälzlager umfassen innere und äußere Laufbahnen und mehrere dazwischen angeordnete Wälzkörper (z. B. Kugeln und/oder Rollen). Rollenlager sind Wälzlager, bei denen die Wälzkörper Rollen sind, im Gegensatz zu z. B. Kugeln. Rollenlager umfassen z. B. Pendel- und Kegelrollenlager. Für eine langfristige Zuverlässigkeit und Leistung ist es wichtig, dass die verschiedenen Wälzkörper eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung, Verschleiß und Kriechbewegungen haben. Lager sind dem Fachmann wohlbekannte Komponenten und werden in verschiedenen Katalogen und technischen Broschüren beschrieben, die bei SKF kostenlos erhältlich sind, z. B. im Katalog „Wälzlager“. Bearings are devices that allow positive relative motion between two parts. Rolling bearings comprise inner and outer races and a plurality of rolling elements (e.g. balls and/or rollers) arranged between them. Roller bearings are rolling bearings in which the rolling elements are rollers, as opposed to, for example, balls. Roller bearings include, for example, spherical and tapered roller bearings. For long-term reliability and performance, it is important that the various rolling elements have a high resistance to fatigue, wear and creep. Bearings are components well known to those skilled in the art and are described in various catalogues and technical brochures available free of charge from SKF, e.g. the Rolling Bearings catalogue.

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Metallkomponenten umfassen das Warmwalzen oder Warmschmieden, um einen Stab, eine Stange, ein Rohr oder einen Ring zu bilden, gefolgt von einem weichen Formvorgang, um die gewünschte Komponente zu erhalten. Bei den bekannten Wärmebehandlungen von Stahlkomponenten für Lager werden die Komponenten nach dem Austenitisieren für eine Bainitumwandlung über längere Zeiträume gehalten, typischerweise im Salzbad, in dem die Komponente nach dem Austenitisieren für mehr als 10 Stunden abgeschreckt wird.Conventional processes for manufacturing metal components include hot rolling or hot forging to form a bar, rod, tube or ring, followed by a soft forming operation to obtain the desired component. In the known heat treatments of steel components for bearings, the components are held for extended periods of time after austenitizing for bainite transformation, typically in the salt bath in which the component is quenched for more than 10 hours after austenitizing.

Üblicherweise wird bei Rollenlagern, wie z. B. Pendel- oder Kegelrollenlagern, der Innen- und/oder Außenring des Rollenlagers aus einem kohlenstoffarmen Stahl gebildet, obwohl es auch bekannt ist, Lagerkomponenten aus kohlenstoffreichem Stahl zu bilden, wie z. B. in WO 2009/045147 offenbart.Typically, in roller bearings, such as spherical or tapered roller bearings, the inner and/or outer ring of the roller bearing is formed from a low carbon steel, although it is also known to form bearing components from high carbon steel, such as in WO 2009/045147 disclosed.

Oberflächenhärtungsverfahren sind bekannt und werden eingesetzt, um die Härte von Oberflächen fertiger oder halbfertiger Komponenten lokal zu erhöhen, um z. B. die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Eine Reihe von Oberflächen- oder Einsatzhärtungsverfahren sind zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit von Wälzkontakten bekannt. SKF Nautilus Lager wurden durch Einsatzhärten von Stählen wie 18NiCrMo14-6 und durch Oberflächeninduktionshärten von Stählen wie 50CrMo4 hergestellt. Großwälzlager können auch in großen Hauptwellenanwendungen eingesetzt werden.Surface hardening processes are well known and are used to locally increase the hardness of surfaces of finished or semi-finished components, for example to improve wear and fatigue resistance. A number of surface or case hardening processes are known to improve the fatigue resistance of rolling contacts. SKF Nautilus bearings have been manufactured by case hardening steels such as 18NiCrMo14-6 and by surface induction hardening steels such as 50CrMo4. Slewing bearings can also be used in large main shaft applications.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lagerkomponente, wie z.B. einen Innen- oder Außenring oder Wälzkörper für ein Wälzlager bereitzustellen, die zu geringeren Kosten hergestellt werden kann und dennoch eine vergleichbare oder verbesserte Verschleißfestigkeit und Tragfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rollenlagerkomponenten aufweist.The object of the present invention is to provide a bearing component, such as an inner or outer ring or rolling element for a rolling bearing, which can be manufactured at lower costs and yet has comparable or improved wear resistance and load-bearing capacity compared to conventional roller bearing components.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente bereitzustellen, um beispielsweise einen Innen- oder Au-ßenring oder Wälzkörper für ein Lager zu erhalten, der eine vergleichbare oder verbesserte Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagerringen aufweist, wobei das Verfahren geringere Herstellungskosten im Vergleich zur Herstellung von herkömmlichen Rollenlagerringen erfordert.Another object of the present invention is to provide a method for heat treating a steel component in order to obtain, for example, an inner or outer ring or rolling element for a bearing which has comparable or improved wear resistance and load capacity compared to conventional rolling bearing rings, wherein the method requires lower manufacturing costs compared to the production of conventional roller bearing rings.

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.The present invention aims to solve at least some of the problems associated with the prior art or at least to provide a commercially acceptable alternative solution thereto.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:

(i) Bereitstellen einer Stahlkomponente, die aus einem Lagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt gebildet ist;
(ii) Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur bei oder oberhalb der Austenitisierungstemperatur und Halten der Komponente für eine Zeit, die ausreicht, um den Stahl zumindest teilweise austenitisieren zu lassen;
(iii) Abkühlen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden, vorzugsweise für höchstens 4 Stunden, wodurch zumindest ein Teil des Austenits in Bainit umgewandelt wird;
(iv) Abkühlen und/oder Abschrecken der Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C, wodurch Martensit gebildet wird; und
(v) Wiederholung der Schritte (iii) und (iv) durch Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden, bevor die Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C abgekühlt und/oder abgeschreckt wird, wodurch ein weiterer Teil des Austenits in Bainit umgewandelt wird und angelassener Martensit gebildet wird.

According to a first aspect of the present invention there is provided a method of heat treating a steel component, the method comprising:

(i) providing a steel component formed from a high carbon bearing steel;
(ii) heating the component to a temperature at or above the austenitizing temperature and holding the component for a time sufficient to cause the steel to at least partially austenitize;
(iii) cooling the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours, preferably for a maximum of 4 hours, whereby at least part of the austenite is converted to bainite;
(iv) cooling and/or quenching the component to a temperature of -30°C to 30°C, thereby forming martensite; and
(v) repeating steps (iii) and (iv) by heating the component to a temperature of from 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before cooling and/or quenching the component to a temperature of from -30°C to 30°C, thereby converting a further portion of the austenite to bainite and forming tempered martensite.

Die vorliegende Offenbarung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Aspekte/Ausführungsformen der Offenbarung genauer definiert. Jede(r) so definierte Aspekt/Ausführungsform kann mit jedem bzw. jeder anderen Aspekt/ Ausführungsform oder mit anderen Aspekten/ Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere kann jedes als bevorzugt oder vorteilhaft bezeichnete Merkmal mit jedem anderen als bevorzugt oder vorteilhaft bezeichneten Merkmal oder Merkmalen kombiniert werden.The present disclosure will now be further described. In the following sections, various aspects/embodiments of the disclosure are defined in more detail. Each aspect/embodiment so defined may be combined with any other aspect/embodiment or with other aspects/embodiments, unless clearly stated otherwise. In particular, each feature referred to as preferred or advantageous may be combined with any other feature or features referred to as preferred or advantageous.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente. Der Begriff „Stahlkomponente“, wie er hier verwendet wird, kann jede Komponente, d. h. jeden Gegenstand, umfassen, der aus Stahl hergestellt ist oder Stahl umfasst. Die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Stahltyp oder eine bestimmte Stahlsorte beschränkt. Die Art der „Komponente“, wie sie hier verwendet wird, ist nicht besonders begrenzt. Vorzugsweise ist die Stahlkomponente eine Lagerkomponente wie ein Innen- oder Außenring, vorzugsweise für ein Rollenlager. In einem weiteren Aspekt, der hier näher beschrieben wird, ist eine Lagerkomponente, vorzugsweise ein Innen- oder Außenring oder ein Wälzkörper, für ein Lager bereitgestellt. Wie zu erkennen ist, kann die Lagerkomponente des weiteren Aspekts durch das Verfahren des ersten Aspekts erhalten werden, und vorzugsweise wird sie durch das Verfahren erhalten. Das heißt, der Innenring oder Außenring ist ein wärmebehandelter Ring und der Wälzkörper ist ein wärmebehandelter Wälzkörper. Im weiteren Sinne ist das Verfahren geeignet, um die Lagerkomponente zu erhalten. Darüber hinaus kann jede Offenbarung in Bezug auf die Komponente auch auf die Offenbarung des Verfahrens angewandt werden, und umgekehrt.The present invention relates to a method for heat treating a steel component. The term "steel component" as used herein may include any component, i.e. any article, made of steel or comprising steel. The invention is not limited to a particular type or grade of steel. The type of "component" as used herein is not particularly limited. Preferably, the steel component is a bearing component such as an inner or outer ring, preferably for a roller bearing. In a further aspect, described in more detail herein, a bearing component, preferably an inner or outer ring or a rolling element, is provided for a bearing. As can be seen, the bearing component of the further aspect may be obtained by the method of the first aspect, and preferably it is obtained by the method. That is, the inner ring or outer ring is a heat treated ring and the rolling element is a heat treated rolling element. In a broader sense, the method is suitable for obtaining the bearing component. Furthermore, any disclosure relating to the component may also be applied to the disclosure of the method, and vice versa.

Vorzugsweise ist die Lagerkomponente ein Rollenlager, beispielsweise ein Zylinderrollenlager oder ein Kegelrollenlager. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Rollenlager um ein Kegelrollenlager, das sich zur Verwendung in einer Hauptwelle einer Windkraftanlage eignen kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auch ein Rollenlager, vorzugsweise ein Kegelrollenlager, bereitgestellt, das einen Innenring und einen Außenring umfasst, wobei jeder der Innen- und Außenringe mit dem hierin beschriebenen Ring übereinstimmt.Preferably, the bearing component is a roller bearing, for example a cylindrical roller bearing or a tapered roller bearing. In a preferred embodiment, the roller bearing is a tapered roller bearing, which may be suitable for use in a main shaft of a wind turbine. According to a further aspect of the present invention, there is also provided a roller bearing, preferably a tapered roller bearing, comprising an inner ring and an outer ring, each of the inner and outer rings corresponding to the ring described herein.

Rollenlager weisen eine Anordnung aus Topf und Konus auf. Die Lager umfassen ferner Stahlkomponenten, wie z. B. Rollen, als Teil einer Konusanordnung, die ferner aus dem Innenring und einem Käfig gebildet wird. Der Topf umfasst den Außenring.Roller bearings have a cup and cone arrangement. The bearings further include steel components, such as rollers, as part of a cone arrangement, which is further formed by the inner ring and a cage. The cup encloses the outer ring.

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 Wälzlagerring beziehen, der relativ zu den Wälzkörpern im Wälzlager radial innen 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 Wälzlager radial außen angeordnet ist und daher eine Laufbahn auf einer radial inneren Oberfläche des Außenrings hat. Die physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Innen- oder Außenrings sind aufgrund der Belastungsanforderungen solcher Lager und der hohen Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Innen- oder Außenringe für die Verwendung in Pendel- und/oder Kegelrollenlagern besonders wünschenswert.The shape of the inner or outer ring of the present invention is not particularly limited and may take the form of any conventional inner or outer ring for a roller bearing. The term "inner ring" as used herein may refer to a rolling bearing ring that is arranged radially inward relative to the rolling elements in the rolling bearing and therefore has a raceway on a radially outer surface of the inner ring. The term "outer ring" as used herein may refer to a rolling bearing ring that is arranged radially outward relative to the rolling elements in the rolling bearing and therefore has a raceway on a radially inner surface of the outer ring. The physical and/or mechanical properties of the inner or outer ring of the present invention are particularly desirable for use in spherical roller bearings and/or tapered roller bearings due to the load requirements of such bearings and the high wear resistance and load capacity of the inner or outer rings of the present invention.

Vorzugsweise ist das Kegelrollenlager für die Hauptwelle einer Windkraftanlage vorgesehen. In einem Kegelrollenlager hat der Innenring eine allgemein kegelstumpfförmige Ringform mit einer konischen äußeren Laufbahn für den Eingriff mit dem Rollenlager. Der Au-ßenring hat eine allgemein komplementäre „Topfform“ mit einer konischen inneren Laufbahn.Preferably, the tapered roller bearing is intended for the main shaft of a wind turbine. In a tapered roller bearing, the inner ring has a generally frusto-conical annular shape with a tapered outer raceway for engagement with the roller bearing. The outer ring has a generally complementary "pot" shape with a tapered inner raceway.

Die vorliegende Erfindung ist besonders für große Lager geeignet. Typischerweise hat eine bevorzugte Stahlkomponente ein Gewicht von mehr als 50 kg, zum Beispiel von 100 kg bis 1000 kg. Ein aus solchen Lagerkomponenten aus Stahl gebildetes Lager kann ein entsprechendes Gewicht haben. Ein Lager, das einen Innen- und Außenring und mehrere Wälzkörper umfasst, kann ein Gewicht von bis zu 3500 kg haben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat der Ring für das Lager einen Bohrungsdurchmesser von mindestens 0,5 m, vorzugsweise mindestens 1 m, noch bevorzugter mindestens 1,5 m. Im Allgemeinen beträgt der Bohrungs- und Außendurchmesser nicht mehr als 5 m, beispielsweise nicht mehr als 4 m. Darüber hinaus beträgt die Breite des Rings (d. h. die Dicke zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Rings, die somit parallel zur Drehachse verläuft) vorzugsweise 70 mm bis 250 mm. Der Durchmesser einer entsprechenden Rolle liegt vorzugsweise zwischen 35 mm und 200 mm.The present invention is particularly suitable for large bearings. Typically, a preferred steel component has a weight of more than 50 kg, for example from 100 kg to 1000 kg. A bearing formed from such steel bearing components may have a corresponding weight. A bearing comprising an inner and outer ring and a plurality of rolling elements may have a weight of up to 3500 kg. In a further preferred embodiment, the ring for the bearing has a bore diameter of at least 0.5 m, preferably at least 1 m, more preferably at least 1.5 m. In general, the bore and outer diameter is not more than 5 m, for example not more than 4 m. In addition, the width of the ring (ie the thickness between the opposite surfaces of the ring, which thus runs parallel to the axis of rotation) is preferably 70 mm to 250 mm. The diameter of a corresponding roller is preferably between 35 mm and 200 mm.

Die Wärmebehandlung umfasst den Schritt (i) des Bereitstellens einer Stahlkomponente, die aus einem kohlenstoffreichen Lagerstahl gebildet ist (ein solcher Lagerstahl kann hier als Stahlzusammensetzung bezeichnet werden). Ein kohlenstoffreicher Lagerstahl ist ein bekannter Begriff in der Fachwelt, obwohl er sich im Allgemeinen auf einen Stahl bezieht, der 0,8 bis 1,15 Gew.-% Kohlenstoff umfasst. Vorzugsweise umfasst der Stahl ferner die hier beschriebenen zusätzlichen Elemente. Geeignete Stähle umfassen „durchhärtende Lagerstähle“, wie sie in Tabelle 3 der ISO 683 17:2014 beschrieben sind. In Kombination mit den anderen Legierungselementen führt dies zu der gewünschten gemischten bainitischen und martensitischen (Mikro-)Struktur (BMS), Tragfähigkeit, Kern- und Oberflächenhärte sowie Kerbschlagzähigkeit. Im Vergleich zu den herkömmlichen Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die in Komponenten von Rollenlagern, wie z. B. Pendel- und Kegelrollenlagern, verwendet werden, kann ein solcher Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt eine höhere Härte erreichen. Außerdem senkt der Kohlenstoff die Bainitumwandlungstemperatur, so dass die gewünschte bainitische Mikrostruktur erreicht werden kann. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung zwischen 0,93 und 1,05 Gew.-% Kohlenstoff.The heat treatment comprises the step (i) of providing a steel component formed from a high carbon bearing steel (such bearing steel may be referred to herein as a steel composition). A high carbon bearing steel is a well-known term in the art, although it generally refers to a steel comprising 0.8 to 1.15 wt.% carbon. Preferably, the steel further comprises the additional elements described herein. Suitable steels include “through hardening bearing steels” as described in Table 3 of ISO 683 17:2014. In combination with the other alloying elements, this results in the desired mixed bainitic and martensitic (micro)structure (BMS), load-bearing capacity, core and surface hardness, and impact toughness. Compared to the conventional low carbon steels used in roller bearing components, such as spherical and tapered roller bearings, such high carbon steel can achieve higher hardness. In addition, the carbon lowers the bainite transformation temperature so that the desired bainitic microstructure can be achieved. Preferably, the steel composition comprises between 0.93 and 1.05 wt.% carbon.

Die Zusammensetzung eines solchen kohlenstoffreichen Stahls kann wie folgt sein:

0,8 - 1,15 Gew.-% Kohlenstoff;
0,1 - 0,9 Gew.-% Silizium;
0,1 - 1,8 Gew.-% Mangan;
0,8 - 2,2 Gew.-% Chrom;
0 - 0,3 Gew.-% Nickel;
0 - 0,7 Gew.-% Molybdän;
0 - 0,03 Gew.-% Phosphor;
0 - 0,03 Gew.-% Schwefel; und
der Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

The composition of such a high carbon steel can be as follows:

0.8 - 1.15 wt.% carbon;
0.1 - 0.9 wt.% silicon;
0.1 - 1.8 wt.% manganese;
0.8 - 2.2 wt.% chromium;
0 - 0.3 wt.% nickel;
0 - 0.7 wt.% molybdenum;
0 - 0.03 wt.% phosphorus;
0 - 0.03 wt.% sulphur; and
the rest is iron and unavoidable impurities.

Der Lagerstahl kann zwischen 0,1 und 0,9 Gew.-% Silizium umfassen. 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, eine übermäßige Ausscheidung 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 vorzugsweise bei 0,75 Gew.-%. Bei einem Siliziumgehalt von weniger als 0,15 Gew.-% kann es schwierig sein, die gewünschte bainitische Mikrostruktur ohne erheblichen Restaustenit, z. B. mehr als 10 Vol.-% Restaustenit, zu erhalten. Daher kann die Stahlzusammensetzung 0,15 bis 0,75 Gew.-% Silizium umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,15 bis 0,45 Gew.-% Silizium und in anderen Ausführungsformen umfasst die Stahlzusammensetzung 0,45 bis 0,75 Gew.-% Silizium.The bearing steel may comprise between 0.1 and 0.9 wt% silicon. In combination with the other alloying elements, this results in the desired bainitic microstructure with a minimal amount of retained austenite. Silicon has negligible solubility in carbides, especially at high temperatures where its diffusivity is sufficiently high not to be trapped in carbides. Silicon also helps suppress excessive precipitation of cementite and carbide formation. In addition, silicon stabilizes the transition carbides and improves the tempering resistance of the steel's microstructure. However, too high a silicon content can lead to undesirable surface oxides and poor surface finish, as well as a reduction in the elastic properties of the matrix. For this reason, the maximum silicon content is preferably 0.75 wt%. At a silicon content of less than 0.15 wt%, it may be difficult to obtain the desired bainitic microstructure without significant retained austenite, e.g. more than 10 vol% retained austenite. Therefore, the steel composition may comprise 0.15 to 0.75 wt.% silicon. In some embodiments, the steel composition comprises 0.15 to 0.45 wt.% silicon, and in other embodiments, the steel composition comprises 0.45 to 0.75 wt.% silicon.

Der Lagerstahl kann zwischen 0,1 und 1,8 Gew.-% Mangan umfassen. In Kombination mit den anderen Legierungselementen wirkt Mangan härtungsfördernd. Entsprechend ist, wenn der Mangangehalt niedriger ist als 0,6 Gew.-%, eine Stahlzusammensetzung mit der gewünschten bainitischen Mikrostruktur und einer hohen Kernhärte möglicherweise nicht leicht zu erreichen. Zusätzlich erhöht Mangan die Stabilität von Austenit im Vergleich zu Ferrit. Ein höherer Mangangehalt kann jedoch dazu dienen, die Menge an Restaustenit zu erhöhen und die Umwandlungsrate in Bainit zu verringern. Dies kann zu praktischen metallurgischen Problemen führen, wie z. B. einer zu starken Stabilisierung des Restaustenits, was zu potenziellen Problemen mit der Dimensionsstabilität der Lagerkomponenten führt. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mangan, noch bevorzugter 0,7 bis 1,2 Gew.-% Mangan.The bearing steel may comprise between 0.1 and 1.8 wt.% manganese. In combination with the other alloying elements, manganese acts as a hardening promoter. Accordingly, if the manganese content is lower than 0.6 wt.%, a steel composition with the desired bainitic microstructure and high core hardness may not be easily achieved. Additionally, manganese increases the stability of austenite relative to ferrite. However, a higher manganese content may serve to increase the amount of retained austenite and reduce the conversion rate to bainite. This may lead to practical metallurgical problems, such as over-stabilization of the retained austenite, leading to potential problems with the dimensional stability of the bearing components. Preferably, the steel composition comprises 0.5 to 1.5 wt.% manganese, more preferably 0.7 to 1.2 wt.% manganese.

Der Lagerstahl kann zwischen 0,8 und 2,2 Gew.-% Chrom umfassen. Chrom bewirkt, die Härtbarkeit zu erhöhen und die Bainit-Starttemperatur zu verringern. Wenn der Chromgehalt unter 0,8 Gew.-% liegt, ist somit eine Stahlzusammensetzung mit der gewünschten bainitischen Mikrostruktur und einer hohen Kernhärte möglicherweise nicht leicht zu erreichen. Vorzugsweise umfasst die Stahlzusammensetzung 0,9 bis 2,1 Gew.-% Chrom, noch bevorzugter 1,0 bis 2,0 Gew.-% Chrom.The bearing steel may comprise between 0.8 and 2.2 wt.% chromium. Chromium acts to increase hardenability and reduce the bainite initiation temperature. Thus, if the chromium content is below 0.8 wt.%, a steel composition having the desired bainitic microstructure and high core hardness may not be easily achieved. Preferably, the steel composition comprises 0.9 to 2.1 wt.% chromium, more preferably 1.0 to 2.0 wt.% chromium.

Optional umfasst der Lagerstahl 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, z. B. 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel. Nickel kann z. B. im Hinblick auf die allgemeine Zähigkeit und/oder die Kerbschlagzähigkeit von Vorteil sein. Der Lagerstahl umfasst optional 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, z. B. 0 bis 0,2 Gew.-% Kupfer.Optionally, the bearing steel comprises 0 to 0.3 wt.% nickel, e.g. 0 to 0.2 wt.% nickel. Nickel can be advantageous, e.g. with regard to general toughness and/or impact strength. Optionally, the bearing steel comprises 0 to 0.3 wt.% copper, e.g. 0 to 0.2 wt.% copper.

Der Lagerstahl kann 0 bis 0,7 Gew.-% Molybdän umfassen. Molybdän kann dazu beitragen, eine Versprödung der Austenit-Korngrenzen 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. Daher ist es bevorzugt, dass der Lagerstahl Molybdän umfasst, beispielsweise zumindest 0,10 Gew.-%. 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 0,1 bis 0,7 Gew.-% Molybdän, noch bevorzugter 0,15 bis 0,5 Gew.-% Molybdän.The bearing steel may comprise 0 to 0.7 wt.% molybdenum. Molybdenum may help prevent embrittlement of the austenite grain boundaries due to impurities such as phosphorus. Molybdenum may also lower the bainite initiation temperature and increases hardenability, which is important when the steel is used, for example, to manufacture a large-sized bearing ring which requires hardening to a relatively great depth after quenching from high temperature. Therefore, it is preferred that the bearing steel comprises molybdenum, for example at least 0.10 wt.%. The molybdenum content in the alloy is preferably not more than about 0.7 wt.%, since otherwise the transformation of austenite to bainitic ferrite may terminate too early, which may result in significant amounts of austenite remaining in the microstructure. Molybdenum may also contribute to increased rolling contact fatigue resistance through the formation of finely dispersed molybdenum carbides. Preferably, the steel composition comprises 0.1 to 0.7 wt% molybdenum, more preferably 0.15 to 0.5 wt% molybdenum.

Es versteht sich von selbst, dass die hier erwähnte Zusammensetzung des Lagerstahls unvermeidbare Verunreinigungen enthalten kann, obwohl diese insgesamt wahrscheinlich nicht mehr als 0,3 Gew.-% der Zusammensetzung ausmachen werden. 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 umfassen. Eine nicht erschöpfende Liste von Verunreinigungen umfasst zum Beispiel

von 0 - 0,03 Gew.-% Phosphor;
von 0 - 0,03 Gew.-% Schwefel;
von 0 - 0,04 Gew.-% Arsen;
von 0 - 0,075 Gew.-% Zinn;
von 0 - 0,075 Gew.-% Antimon;
von 0 - 0,002 Gew.-% Blei; und
von 0 - 0,002 Gew.-% Bor.

It goes without saying that the bearing steel composition mentioned here may contain unavoidable impurities, although these will probably not constitute more than 0.3% by weight of the composition in total. Preferably, the steel composition contains unavoidable impurities in an amount of not more than 0.1% by weight of the composition, preferably not more than 0.05% by weight of the composition. In particular, the steel composition may also comprise one or more impurity elements. A non-exhaustive list of impurities includes, for example,

from 0 - 0.03 wt.% phosphorus;
from 0 - 0.03 wt.% sulfur;
from 0 - 0.04 wt.% arsenic;
from 0 - 0.075 wt.% tin;
from 0 - 0.075 wt.% antimony;
from 0 - 0.002 wt.% lead; and
from 0 - 0.002 wt.% boron.

Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst vorzugsweise wenig oder keinen Phosphor, zum Beispiel 0 bis 0,015 Gew.-% Phosphor. Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst vorzugsweise wenig oder keinen Schwefel, z. B. 0 bis 0,015 Gew.-% Schwefel.The steel alloy composition preferably comprises little or no phosphorus, for example 0 to 0.015 wt.% phosphorus. The steel alloy composition preferably comprises little or no sulfur, for example 0 to 0.015 wt.% sulfur.

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.The steel composition preferably comprises < 15 ppm oxygen. Oxygen may be present as an impurity. The steel composition preferably comprises ≤ 30 ppm titanium. Titanium may be present as an impurity. The steel composition preferably comprises ≤ 20 ppm boron. The steel composition preferably comprises ≤ 50 ppm calcium. Calcium may be present as an impurity.

Die hier beschriebene Zusammensetzung des Lagerstahls kann im Wesentlichen aus den 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.The composition of the bearing steel described here may consist essentially of the elements mentioned. It is therefore understood that in addition to the mandatory elements, other, unspecified elements may also be present in the composition, provided that the essential properties of the composition are not significantly impaired by their presence. The steel composition described here may consist of the elements mentioned.

Die Stahlkomponente, die für das hier beschriebene Wärmebehandlungsverfahren bereitgestellt wird, kann auf jede herkömmliche Art und Weise erhalten werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. So kann beispielsweise 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.The steel component provided for the heat treating process described herein may be obtained in any conventional manner known to those skilled in the art. For example, a ring for heat treating may be provided as follows. First, the steel composition is prepared and cast. The steel composition may then be subjected to a conventional high temperature soaking step followed by hot rolling, typically at an initial temperature of about 1150°C. If necessary, several hot rolling passes may be carried out. The hot rolled steel, which may be in bar or sheet form, is then slowly cooled to room temperature to avoid the formation of carbon-rich martensite. A typical preferred microstructure in the hot rolled condition at room temperature is pearlite.

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.The hot-rolled material can then optionally be homogenized in a homogenization step, e.g. by treatment at about 1200 °C for about 24 to 48 hours in a vacuum. Optionally, the material can then be cooled in the furnace to allow it to cool slowly to room temperature, also under vacuum.

Das Material kann dann in einem Bearbeitungsschritt zu endkonturnahen Komponenten bearbeitet werden, z. B. zu einem Innen- oder Außenring für ein Lager, wie hier beschrieben.The material can then be machined in one step into near-net-shape components, e.g. an inner or outer ring for a bearing, as described here.

Das Verfahren umfasst den Schritt (ii) des Erhitzens der Komponente auf eine Temperatur bei oder oberhalb der Austenitisierungstemperatur und des Haltens der Komponente für eine Zeit, die ausreicht, um den Stahl zumindest teilweise austenitisieren zu lassen. Ein solcher Schritt kann als Austenitisierungsschritt oder Austenitisierung bezeichnet werden, was dem Fachmann bekannt sein dürfte. Schritt (ii) umfasst zum Beispiel das Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur von 790°C bis 915°C und/oder das Erhitzen der Komponente für 1 bis 6 Stunden, vorzugsweise 2 bis 4 Stunden. Austenitischer Stahl und seine Struktur sind dem Fachmann gut bekannt.The method comprises the step (ii) of heating the component to a temperature at or above the austenitizing temperature and holding the component for a time sufficient to allow the steel to at least partially austenitize. Such a step may be referred to as an austenitizing step or austenitization, as will be known to those skilled in the art. Step (ii) comprises, for example, heating the Component to a temperature of 790°C to 915°C and/or heating the component for 1 to 6 hours, preferably 2 to 4 hours. Austenitic steel and its structure are well known to those skilled in the art.

Das Verfahren umfasst den Schritt (iii) des Abkühlens der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und des Haltens der Komponente für höchstens 6 Stunden, vorzugsweise höchstens 4 Stunden, wodurch zumindest ein Abschnitt des Austenits in Bainit umgewandelt wird. Es ist zwar bekannt, eine Stahlkomponente nach dem Austenitisieren abzukühlen, um die Bainitumwandlung durch Halten der Komponente bei einer solchen erhöhten Temperatur einzuleiten, aber es ist auch bekannt, die Komponente 10 Stunden oder länger bei einer solchen Temperatur zu halten. Die Erfinder haben festgestellt, dass dies den Wärmebehandlungsprozess übermäßig verlängert und zusätzliche Kosten verursacht, zumindest in Anbetracht der Energiekosten für die Erwärmung. Die Erfinder fanden heraus, dass dieser Schritt erheblich verkürzt werden kann, wenn er mit den nachfolgend beschriebenen Temperierungsschritten kombiniert wird. Darüber hinaus waren die Erfinder überrascht, dass der schnellere und energieeffizientere Prozess einen Stahl mit verbesserten Eigenschaften, wie z. B. Härte, bereitstellt und damit auch eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit bei Rollkontakten bereitstellt. Mit dem vorliegenden Wärmebehandlungsverfahren kann die Zykluszeit im Salzbad um beispielsweise 75 % verkürzt werden. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht die Bainitumwandlung und die Martensitbildung, um einen gemischten Bainit-Martensit-Stahl zu bilden, wodurch die Gesamtumwandlungszeit bekannter Verfahren sowie die Mikrostruktur des Stahls und die daraus resultierenden Eigenschaften verbessert werden.The method comprises the step (iii) of cooling the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours, preferably a maximum of 4 hours, thereby converting at least a portion of the austenite to bainite. While it is known to cool a steel component after austenitizing to initiate bainite transformation by holding the component at such an elevated temperature, it is also known to hold the component at such a temperature for 10 hours or longer. The inventors have found that this excessively lengthens the heat treating process and incurs additional costs, at least considering the energy cost of heating. The inventors have found that this step can be significantly shortened when combined with the tempering steps described below. In addition, the inventors were surprised that the faster and more energy efficient process provides a steel with improved properties, such as hardness, and thus also provides improved wear resistance and fatigue resistance in rolling contacts. With the present heat treatment process, the cycle time in the salt bath can be reduced by, for example, 75%. The process described here enables bainite transformation and martensite formation to form a mixed bainite-martensite steel, thereby improving the overall transformation time of known processes as well as the microstructure of the steel and the resulting properties.

Das Verfahren umfasst auch den Schritt (iv) des Abkühlens und/oder Abschreckens der Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C, zum Beispiel von -10°C bis 10°C, wodurch Martensit gebildet wird. Die Komponente wird im Allgemeinen mindestens 5 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, um ein vollständiges Abschrecken auf eine einheitliche Temperatur vor dem folgenden Anlassen zu gewährleisten.The method also comprises the step (iv) of cooling and/or quenching the component to a temperature of from -30°C to 30°C, for example from -10°C to 10°C, thereby forming martensite. The component is generally maintained at this temperature for at least 5 minutes to ensure complete quenching to a uniform temperature before subsequent tempering.

Das Verfahren umfasst weiter den Schritt (v) der Wiederholung der Schritte (iii) und (iv) durch Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden, bevor die Komponente auf eine Temperatur von -30°C bis 30°C abgeschreckt wird, wodurch ein weiterer Abschnitt des Austenits in Bainit umgewandelt und angelassener Martensit gebildet wird. Schritt (v) ist im Wesentlichen ein erstes Anlassen, bei dem die Komponente nach dem Abschrecken erwärmt wird. Im Allgemeinen wird die Komponente so schnell wie möglich auf den Temperaturbereich erwärmt. Wie zu erkennen ist, beinhaltet die „Wiederholung“ der Schritte (iii) und (iv) die Einstellung der Temperatur auf 200°C bis 270°C, sei es durch Abkühlung auf oder über die Austenitisierungstemperatur oder durch Erwärmung, nachdem es abgeschreckt wurde.The process further comprises the step (v) of repeating steps (iii) and (iv) by heating the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before quenching the component to a temperature of -30°C to 30°C thereby converting a further portion of the austenite to bainite and forming tempered martensite. Step (v) is essentially a first temper in which the component is heated after quenching. Generally, the component is heated to the temperature range as quickly as possible. As can be seen, "repeating" steps (iii) and (iv) involves setting the temperature to 200°C to 270°C, whether by cooling to or above the austenitizing temperature or by heating after it has been quenched.

Wenn die Komponente innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, wird sie vorzugsweise bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten. Die Dauer eines solchen Haltens kann als die Zeit gemessen werden, die innerhalb des Temperaturbereichs gehalten wird, oder vorzugsweise als die Zeit, die bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird.When the component is maintained within a particular temperature range, it is preferably maintained at a substantially constant temperature. The duration of such maintenance may be measured as the time maintained within the temperature range or, preferably, as the time maintained at a substantially constant temperature.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren nach Schritt (v) weiter Schritt (vi) der Wiederholung von Schritt (iii) durch Erhitzen der Komponente auf eine Temperatur von 200°C bis 270°C und Halten der Komponente für höchstens 6 Stunden vor dem Abkühlen oder Abschrecken der Komponente. Die weitere Wiederholung des Warmhalteschrittes ist mit einem zweiten Anlassen versehen, das dazu dient, die Mikrostruktur des Lagerstahls weiter zu verfeinern und die Menge des unerwünschten „Restaustenits“ durch Umwandlung in Bainit zu verringern. Wie man sieht, können die gewünschten Eigenschaften, z. B. eine ausreichende Härte, auch ohne den Schritt (vi) des zusätzlichen Anlassens erhalten werden.In a preferred embodiment, the method further comprises, after step (v), step (vi) of repeating step (iii) by heating the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before cooling or quenching the component. The further repetition of the holding step is accompanied by a second tempering which serves to further refine the microstructure of the bearing steel and to reduce the amount of undesirable "residual austenite" by conversion to bainite. As can be seen, the desired properties, e.g. sufficient hardness, can be obtained even without the step (vi) of additional tempering.

Vorzugsweise werden die Schritte der Reihe nach ohne Zwischenschritte durchgeführt. Das Verfahren der Wärmebehandlung kann daher aus den beschriebenen Schritten bestehen.Preferably, the steps are carried out sequentially without intermediate steps. The heat treatment process can therefore consist of the steps described.

Vorzugsweise wird die Komponente in den Schritten (iii), (v) und, falls vorhanden, in Schritt (vi) mindestens 1 Stunde, vorzugsweise mindestens 2 Stunden, bei 200°C bis 270°C gehalten. Wenn die Komponente weniger als 1 Stunde gehalten wird, wird eine geringere Menge Austenit in Bainit umgewandelt, was für das Bereitstellen der vorteilhaften Eigenschaften, die im endgültigen wärmebehandelten Lagerstahl erreichbar sind, unerwünscht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Komponente in Schritt (iii) auf eine Temperatur von 220°C bis 240°C abgekühlt. In Schritt (v) und, falls vorhanden, in Schritt (vi) wird die Komponente vorzugsweise auf eine Temperatur von 230°C bis 270°C, vorzugsweise von 245°C bis 265°C, erwärmt. Es ist bevorzugt, dass in diesen nachfolgenden Erwärmungsschritten die Temperatur, auf die die Komponente erwärmt wird, höher ist als die Temperatur, auf die die Komponente in Schritt (iii) erwärmt wird. Diese Anlassschritte werden vorzugsweise bei einer höheren Temperatur durchgeführt als der anfängliche Halteschritt (iii), um die Verringerung der Menge an Restaustenit im wärmebehandelten Stahl zu verbessern.Preferably, in steps (iii), (v) and, if present, in step (vi), the component is maintained at 200°C to 270°C for at least 1 hour, preferably at least 2 hours. If the component is maintained for less than 1 hour, a lesser amount of austenite will be converted to bainite, which is undesirable for providing the advantageous properties achievable in the final heat treated bearing steel. In a preferred embodiment, in step (iii), the component is cooled to a temperature of 220°C to 240°C. In step (v) and, if present, in step (vi), the component is preferably heated to a temperature of 230°C to 270°C, preferably 245°C to 265°C. It is preferred that in these subsequent heating steps, the temperature to which the component is heated is higher than the temperature to which the component is heated in step (iii). These tempering steps are preferably carried out at a higher temperature than the initial holding step (iii) to enhance the reduction of the amount of retained austenite in the heat-treated steel.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren nach jedem Halten der Komponente bei einer Temperatur von 200°C bis 270°C weiter das Abkühlen der Komponente mit einer Geschwindigkeit von 0,5°C bis 1,0°C pro Minute. Ein solches „sanftes Abkühlen“ wird bevorzugt, da man davon ausgeht, dass ein zu schnelles Abschrecken aufgrund der entstehenden Eigenspannung zu Rissen im Ring führen kann. Vorzugsweise wird die Komponente vor dem anschließenden Abschrecken auf eine Temperatur von 80°C bis 120°C abgekühlt. Das Abkühlen und Abschrecken wird bevorzugt nach dem ersten Halteschritt nach dem Austenitisieren und der ersten Anlasswiederholung durchgeführt, obwohl das Verfahren auch nur das Abschrecken ohne den Schritt des langsamen Abkühlens umfassen kann. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren keinen abschließenden Abschreckschritt umfassen, z. B. bei der zweiten Anlasswiederholung, da davon ausgegangen wird, dass während eines abschließenden Abschreckens keine weitere signifikante Phasenumwandlung stattfindet; in diesem Fall wird die Komponente einfach auf etwa Umgebungstemperatur (z. B. 20°C) abgekühlt. Die Abkühlung wird vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit durchgeführt. Abschrecken ist ein in der Fachwelt gebräuchlicher Begriff und bezieht sich auf eine sehr schnelle Abkühlung (z. B. mehr als 10 °C pro Minute). Das Abschrecken unterscheidet sich somit von der eher temperaturgesteuerten langsamen Abkühlung.Preferably, after each hold of the component at a temperature of 200°C to 270°C, the process further comprises cooling the component at a rate of 0.5°C to 1.0°C per minute. Such "soft cooling" is preferred because it is believed that quenching too quickly can lead to cracks in the ring due to the residual stress created. Preferably, the component is cooled to a temperature of 80°C to 120°C prior to subsequent quenching. Cooling and quenching is preferably performed after the first hold step after austenitizing and the first tempering iteration, although the process may comprise quenching alone without the slow cooling step. In some embodiments, the process may not comprise a final quenching step, e.g., at the second tempering iteration, because it is believed that no further significant phase transformation occurs during a final quenching; in this case, the component is simply cooled to approximately ambient temperature (e.g. 20°C). Cooling is preferably carried out at an essentially constant rate. Quenching is a term commonly used in the technical world and refers to very rapid cooling (e.g. more than 10°C per minute). Quenching is thus different from the more temperature-controlled slow cooling.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Komponente in Schritt (v) und, falls vorhanden, in Schritt (vi) in einem Anlassofen erhitzt. Typischerweise wird die Komponente nach dem Austenitisieren aufgrund der hohen Temperatur der Stahlkomponente vor dem Abschrecken in einem Salzbad abgeschreckt. Der Fachmann hält die Komponente im Salzbad, um die Bainitumwandlung zu bewirken. Die Erfinder haben festgestellt, dass sie den Durchsatz bei der Herstellung mehrerer Stahlkomponenten, insbesondere großer Komponenten, wie z.B. großer Lagerkomponenten, dadurch erhöhen können, dass sie die anschließenden Anlassschritte in einem Anlassofen durchführen, der es ermöglicht, das Salzbad für das erste Abschrecken weiterer Komponenten zu nutzen.In a particularly preferred embodiment, the component is heated in a tempering furnace in step (v) and, if present, in step (vi). Typically, after austenitizing, due to the high temperature of the steel component, the component is quenched in a salt bath prior to quenching. The skilled person will hold the component in the salt bath to effect bainite transformation. The inventors have found that they can increase the throughput in the manufacture of multiple steel components, particularly large components such as large bearing components, by performing the subsequent tempering steps in a tempering furnace which allows the salt bath to be used for the initial quenching of further components.

Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung innerhalb von 24 Stunden, besonders bevorzugt innerhalb von 22 Stunden, abgeschlossen.Preferably, the heat treatment is completed within 24 hours, more preferably within 22 hours.

Die Erfinder waren überrascht, dass der zusätzliche Anlassschritt, insbesondere das doppelte Anlassen der Schritte (v) und (vi), die Herstellung eines Stahls mit einer erwünschten Mikrostruktur ermöglicht. So umfasst beispielsweise bei einem Innen- oder Außenring für ein Lager die endgültige Mikrostruktur der Laufbahn zumindest 60 Vol.-% Bainit und die Mikrostruktur des Lagerstahls des Rings höchstens 5 Vol.-% Restaustenit.The inventors were surprised that the additional tempering step, in particular the double tempering of steps (v) and (vi), enables the production of a steel with a desired microstructure. For example, in an inner or outer ring for a bearing, the final microstructure of the raceway comprises at least 60 vol.% bainite and the microstructure of the bearing steel of the ring comprises at most 5 vol.% retained austenite.

Daher ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Innen- oder Au-ßenring für ein Lager bereitgestellt, wobei der Ring eine Laufbahn hat und aus einem kohlenstoffreichen Lagerstahl gebildet ist;

wobei die Mikrostruktur des Lagerstahls der Laufbahn mindestens 60 Vol.-% Bainit umfasst; und
wobei die Mikrostruktur des Lagerstahls des Rings höchstens 5 Vol.-% Restaustenit umfasst.

Therefore, according to another aspect of the present invention, there is provided an inner or outer ring for a bearing, the ring having a raceway and being formed from a high carbon bearing steel;

wherein the microstructure of the bearing steel of the raceway comprises at least 60 vol.% bainite; and
wherein the microstructure of the bearing steel of the ring comprises a maximum of 5 vol.% residual austenite.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, der sich beispielsweise auf die Oberflächenhärtung bezieht, bietet die Wärmebehandlung eines kohlenstoffreichen Lagerstahls der vorliegenden Erfindung eine Stahlkomponente, bei der der Kern und die Oberfläche (einschließlich der Laufbahn) keinen nennenswerten Unterschied in ihrer Mikrostruktur haben. Das heißt, die Mikrostruktur des Lagerstahls (d.h. der Komponente, wie z.B. eines Rings oder Wälzkörpers, und damit des Lagerstahls der Komponente) umfasst zumindest 60 Vol.-% Bainit, vorzugsweise zumindest 65 Vol.-% Bainit, und höchstens 5 Vol.-% Restaustenit. Vorzugsweise besteht die Mikrostruktur aus Bainit, Restaustenit und angelassenem Martensit.In contrast to the prior art, which relates to surface hardening, for example, the heat treatment of a high carbon bearing steel of the present invention provides a steel component in which the core and the surface (including the raceway) have no appreciable difference in their microstructure. That is, the microstructure of the bearing steel (i.e., the component, such as a ring or rolling element, and thus the bearing steel of the component) comprises at least 60 vol.% bainite, preferably at least 65 vol.% bainite, and at most 5 vol.% retained austenite. Preferably, the microstructure consists of bainite, retained austenite, and tempered martensite.

Darüber hinaus beträgt der Härtewert der Komponente, insbesondere der Oberfläche wie der Laufbahn eines Rings, zumindest 59 HRC. Eine solche Härte stellt eine Verbesserung gegenüber den bekannten Wärmebehandlungsverfahren dar, die der Komponente eine bessere Beständigkeit gegen Ermüdung durch Rollkontakt bereitstellt. Die hier verwendete Einheit „HRC“ steht für die Rockwell-C-Skala und ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Die Messung der Härte auf der Rockwell-C-Skala kann mit jedem Einkerbungsverfahren durchgeführt werden, das dem Fachmann bekannt ist. Die Härteprüfung nach Vickers kann auch zur Messung der Kernhärte des Innen- oder Außenrings verwendet werden. Konventionelle Methoden sind dem Fachmann bekannt.In addition, the hardness value of the component, particularly the surface such as the raceway of a ring, is at least 59 HRC. Such hardness represents an improvement over known heat treatment processes, providing the component with better resistance to rolling contact fatigue. The unit "HRC" used herein stands for the Rockwell C scale and is known to those skilled in the art. The measurement of hardness on the Rockwell C scale can be carried out using any indentation method known to those skilled in the art. The Vickers hardness test can also be used to measure the core hardness of the inner or outer ring. Conventional methods are known to those skilled in the art.

Der maximale Dimensionszuwachs des Rings bei 150°C nach 2500 Stunden beträgt weniger als 15 µm pro 100 mm (d. h. S0 Dimensionsstabilität, gemessen am Außendurchmesser des Rings). Eine solche Dimensionsstabilität kann mit dem bisherigen Verfahren nicht erreicht werden.The maximum dimensional increase of the ring at 150°C after 2500 hours is less than 15 µm per 100 mm (i.e. S0 dimensional stability, measured on the outer diameter of the ring). Such dimensional stability cannot be achieved with the current process.

Infolge der hier offenbarten Wärmebehandlung beträgt die Druckeigenspannung der Laufbahn eines Lagerrings zumindest 100 MPa. Die Druckeigenspannung kann mit einem Röntgenbeugungsanalysator gemessen werden. Herkömmliche Verfahren sind dem Fachmann bekannt.As a result of the heat treatment disclosed here, the residual compressive stress of the raceway of a bearing ring is at least 100 MPa. The residual compressive stress can be measured with an X-ray diffraction analyzer. Conventional methods are known to those skilled in the art.

Figurencharacters

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden, nicht einschränkenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein Flussdiagramm ist, das ein Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ein beispielhaftes Wärmebehandlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Lagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt zeigt.
3 eine perspektivische Ansicht der Wärmeabbildung der Härte über einen Querschnitt einer Scheibe eines Rings für ein Lager ist, wobei der Querschnitt eine Ebene ist, die die Drehachse enthält.
4 eine Draufsicht auf die Wärmebildaufnahme der Härte über den Querschnitt des in 3 gezeigten Ringstücks ist.

The present invention will now be described with reference to the following non-limiting drawings in which:

1 is a flow chart illustrating a heat treating process of the present invention.
2 shows an exemplary heat treatment process according to the present invention for a high carbon bearing steel.
3 is a perspective view of the thermal map of hardness across a cross section of a disk of a ring for a bearing, the cross section being a plane containing the axis of rotation.
4 a top view of the thermal image of the hardness over the cross section of the 3 shown ring piece.

1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlkomponente. In einem ersten Schritt wird eine Stahlkomponente für die Wärmebehandlung bereitgestellt, wobei die Stahlkomponente aus einem kohlenstoffreichen Lagerstahl gebildet ist. In einem zweiten Schritt wird die Komponente einer Austenitisierung unterzogen, um den Stahl zumindest teilweise zu austenitisieren, bevor in einem dritten Schritt die Komponente abgekühlt und für eine ausreichende Zeit bei einer Temperatur gehalten wird, um zumindest einen Teil des Austenits in Bainit umzuwandeln. In einem vierten Schritt wird die Komponente dann abgekühlt und/oder abgeschreckt. Schließlich werden der dritte und vierte Schritt als erster Anlassschritt wiederholt, bei dem die Komponente erwärmt und vor dem Abkühlen und/oder Abschrecken gehalten wird. 1 shows the method according to the invention for heat treating a steel component. In a first step, a steel component is provided for heat treatment, the steel component being formed from a high carbon bearing steel. In a second step, the component is subjected to austenitization to at least partially austenitize the steel before, in a third step, the component is cooled and held at a temperature for a sufficient time to convert at least a portion of the austenite to bainite. In a fourth step, the component is then cooled and/or quenched. Finally, the third and fourth steps are repeated as a first tempering step in which the component is heated and held prior to cooling and/or quenching.

In 2 ist die Temperatur auf der y-Achse gegen die Laufzeit auf der x-Achse aufgetragen.In 2 the temperature is plotted on the y-axis against the running time on the x-axis.

Bei dem in 2 dargestellten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lagerring nach einem Austenitisierungsschritt etwa 3 Stunden lang im Bereich von 200°C bis 270°C gehalten, bevor der Ring vor dem Abschrecken über etwa 3 Stunden langsam auf eine Temperatur von etwa 100°C abgekühlt wird. Kurz danach wird der Ring durch Wiederholung des Warmhalteschrittes angelassen, jedoch bei einer höheren Temperatur als beim ersten Halteschritt und nur etwa 2 Stunden lang, bevor er ebenfalls langsam auf etwa 100 °C abgekühlt und abgeschreckt wird. Der Anlassschritt wird ein zweites Mal wiederholt, wobei der Ring jedoch weiterhin mit einer etwas höheren Geschwindigkeit und ohne Abschrecken auf eine Umgebungstemperatur von etwa 20 °C abgekühlt wird. Die Wärmebehandlung ist nach 22 Stunden abgeschlossen.In the 2 In the process of the present invention, a bearing ring is held in the range of 200°C to 270°C for about 3 hours after an austenitizing step before slowly cooling the ring to a temperature of about 100°C over about 3 hours prior to quenching. Shortly thereafter, the ring is tempered by repeating the holding step, but at a higher temperature than the first holding step and for only about 2 hours before also slowly cooling to about 100°C and quenching. The tempering step is repeated a second time, but the ring is still cooled to an ambient temperature of about 20°C at a slightly higher rate and without quenching. The heat treatment is complete after 22 hours.

Beispiel 1example 1

Großformatige kohlenstoffreiche Lagerringe mit Außendurchmessern im Bereich von 0,8 m bis 2,6 m wurden einem bekannten Wärmebehandlungsverfahren unterzogen. Die kohlenstoffreichen Lagerringe werden aus einer Stahlzusammensetzung gebildet, die etwa 0,93 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5 Gew.-% Silizium, etwa 1,0 Gew.-% Mangan, etwa 1,9 Gew.-% Chrom, etwa 0,5 Gew.-% Molybdän, etwa 0,18 Gew.-% Nickel und etwa 0,15 Gew.-% Kupfer umfasst.Large-scale high-carbon bearing rings with outside diameters ranging from 0.8 m to 2.6 m were subjected to a known heat treating process. The high-carbon bearing rings are formed from a steel composition comprising about 0.93 wt.% carbon, about 0.5 wt.% silicon, about 1.0 wt.% manganese, about 1.9 wt.% chromium, about 0.5 wt.% molybdenum, about 0.18 wt.% nickel, and about 0.15 wt.% copper.

Der Lagerring wird austenitisiert, z. B. durch die in 2 gezeigten ersten Austenitisierungsschritte, und anschließend wird ein Bainit-Durchhärtungsschritt durchgeführt, um eine Mikrostruktur zu erhalten, die Bainit umfasst. Bei der Durchhärtung wird der Ring über 10 Stunden lang bei über 200 °C gehalten, bevor er auf 5 °C abgeschreckt wird. Der Ring wird durch Erhitzen auf etwa 200 °C für etwa 6 Stunden angelassen. Der Ring wird schließlich auf Raumtemperatur abgeschreckt, um die Wärmebehandlung nach mehr als 26 Stunden abzuschließen.The bearing ring is austenitized, e.g. by the 2 shown, and then a bainite through hardening step is performed to obtain a microstructure that includes bainite. In through hardening, the ring is held at over 200°C for over 10 hours before being quenched to 5°C. The ring is tempered by heating to about 200°C for about 6 hours. The ring is finally quenched to room temperature to complete the heat treatment after more than 26 hours.

Die resultierende Mikrostruktur des Stahls kann im Wesentlichen aus 85 - 90 Vol.-% Bainit und höchstens 10 - 15 Vol.-% Restaustenit bestehen. Der Härtewert der Laufbahn kann zumindest 57 HRC betragen. Das Druckeigenspannungsniveau kann etwa 120 - 140 MPa betragen.The resulting microstructure of the steel can consist essentially of 85 - 90 vol.% bainite and a maximum of 10 - 15 vol.% residual austenite. The hardness value of the raceway can be at least 57 HRC. The compressive residual stress level can be about 120 - 140 MPa.

Beispiel 2Example 2

Äquivalente Ringe wie in Beispiel 1 werden gemäß der vorliegenden Erfindung dem Wärmebehandlungsverfahren nach 2 unterzogen. Die Mikrostruktur des Stahls besteht aus zumindest 60 Vol.-% Bainit, angelassenem Martensit und höchstens 5 Vol% Restaustenit. Der Restaustenitgehalt beträgt im Allgemeinen etwa 4 Vol.-% ± 1 Vol.-% und umfasst den Kern und die Oberfläche der Komponente. Der Härtewert der Laufbahn liegt bei mindestens 59 HRC. Die Druckeigenspannung in der Laufbahnschicht erreicht aufgrund des Bainitanteils in der Mikrostruktur mindestens 100 MPa.Equivalent rings as in Example 1 are subjected according to the present invention to the heat treatment process according to 2 The microstructure of the steel consists of at least 60 vol.% bainite, tempered martensite and a maximum of 5 vol.% residual austenite. The residual austenite content is generally about 4 vol.% ± 1 vol.% and includes the core and the surface of the component. The hardness value of the raceway is at least 59 HRC. The residual compressive stress in the raceway layer reaches at least 100 MPa due to the bainite content in the microstructure.

Die 3 und 4 zeigen die Wärmekarte der Vickershärte HV10 des Beispielrings. Die Wärmekarte ist in vier Bereichen von hell bis dunkel dargestellt, die, wie in der Skala angegeben, HV10 von 600,1 bis 623,8, 623,8 bis 647,8, 647,8 bis 671,3 bzw. 671,3 bis 695,0 entsprechen. Die Härte, umgerechnet gemäß DIN EN ISO 18265 Tabelle A1, ist mit einer Härte in HRC versehen. Die 3 und 4 zeigen, dass die Härte der Laufbahn zwischen etwa 59,2 HRC und etwa 59,9 HRC und die Härte des Kerns etwa 57 HRC beträgt.The 3 and 4 show the heat map of the Vickers hardness HV10 of the example ring. The heat map is shown in four areas from light to dark, which, as indicated in the scale, HV10 from 600.1 to 623.8, 623.8 to 647.8, 647.8 to 671.3 or 671.3 to 695.0. The hardness, converted according to DIN EN ISO 18265 Table A1, is given a hardness in HRC. The 3 and 4 show that the hardness of the raceway is between about 59.2 HRC and about 59.9 HRC and the hardness of the core is about 57 HRC.

Wie hierin verwendet, umfasst die Einzahlform von „ein“, „ein“ und „die“ die Mehrzahl, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Die Verwendung des Begriffs „umfassend“ soll so verstanden werden, dass er solche Merkmale umfasst, aber andere Merkmale nicht ausschließt, und er soll auch die Möglichkeit umfassen, dass die Merkmale notwendigerweise auf die beschriebenen beschränkt sind. Mit anderen Worten, der Begriff umfasst auch die Einschränkungen „im Wesentlichen bestehend aus“ (was bedeuten soll, dass bestimmte weitere Merkmale vorhanden sein können, sofern sie das wesentliche Merkmal des beschriebenen Merkmals nicht wesentlich beeinflussen) und „bestehend aus“ (was bedeuten soll, dass kein weiteres Merkmal bereitgestellt werden darf), sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.As used herein, the singular form of "a," "an," and "the" includes the plural, unless the context clearly dictates otherwise. Use of the term "comprising" is intended to be understood to include such features but not to exclude other features, and is also intended to encompass the possibility that the features are necessarily limited to those described. In other words, the term also includes the limitations "consisting essentially of" (which is intended to mean that certain other features may be present provided they do not substantially affect the essential characteristic of the feature described) and "consisting of" (which is intended to mean that no other feature may be provided), unless the context clearly dictates otherwise.

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, gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen sind für einen Fachmann offensichtlich und fallen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.The foregoing detailed description has been provided for purposes of explanation and illustration and is not intended to limit the scope of the appended claims. Many variations of the presently preferred embodiments presented herein will be apparent to one skilled in the art and will fall within the scope of the appended claims and their equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009045147 [0004]

Claims

A method of heat treating a steel component, the method comprising: (i) providing a steel component formed from a high carbon bearing steel; (ii) heating the component to a temperature at or above the austenitizing temperature and holding the component for a time sufficient to at least partially austenitize the steel; (iii) cooling the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours, preferably for a maximum of 4 hours, thereby converting at least a portion of the austenite to bainite; (iv) cooling and/or quenching the component to a temperature of -30°C to 30°C, thereby forming martensite; and (v) repeating steps (iii) and (iv) by heating the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before cooling and/or quenching the component to a temperature of -30°C to 30°C, thereby converting a further portion of the austenite to bainite and forming tempered martensite.

Procedure according to Claim 1 the process further comprising after step (v): (vi) repeating step (iii) by heating the component to a temperature of 200°C to 270°C and holding the component for a maximum of 6 hours before cooling or quenching the component.

Procedure according to Claim 1 or Claim 2 wherein in step (v) and when step (vi) is present, the component is heated in a tempering furnace.

Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , the heat treatment being completed within 24 hours, preferably within 22 hours.

Procedure according to one of the Claims 1 until 4 wherein: in step (iii) the component is cooled to a temperature of 220°C to 240°C; and/or in step (v) and, if present, in step (vi) the component is heated to a temperature higher than the temperature in step (iii).

Procedure according to one of the Claims 1 until 5 wherein the method further comprises, after each period of maintaining the component at a temperature of 200°C to 270°C, a cooling step of cooling the component at a rate of 0.5°C to 1.0°C per minute, preferably cooling the component to a temperature of 80°C to 120°C before the following quenching step, if any, or otherwise cooling to about ambient temperature.

Procedure according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the steel component is an inner or outer ring for a bearing, preferably for a tapered roller bearing.

An inner or outer ring for a bearing, the ring having a raceway and being formed from a high carbon bearing steel; wherein the microstructure of the bearing steel of the raceway comprises at least 60 vol.% bainite; and wherein the microstructure of the bearing steel of the ring comprises at most 5 vol.% retained austenite.

Ring according to Claim 8 , wherein the ring has a bore diameter of at least 0.5 m, preferably at least 1 m, more preferably at least 1.5 m.

Ring according to Claim 8 or Claim 9 , obtainable by the process of Claim 7 .