DE112014007041T5

DE112014007041T5 - Stahllegierung

Info

Publication number: DE112014007041T5
Application number: DE112014007041.6T
Authority: DE
Inventors: John Beswick; Mohamed Sherif
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2017-09-14
Also published as: WO2016055098A1

Abstract

Kobaltfreie Stahllegierung mit: a) 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff b) 4 bis 6 Gew.-% Chrom c) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan d) 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium e) 9 bis 11 Gew.-% Molybdän f) 6 bis 8 Gew.-% Vanadium g) optional eines oder mehrere der folgenden Elemente: 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium 0 bis 0,05 Gew.-% Phosphor 0 bis 0,05 Gew.-% Schwefel 0 bis 0,1 Gew.-% Titan 0 bis 0,1 Gew.-% Niob 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal 0 bis 0,1 Gew.-% Bor 0 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Sauerstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Kalzium 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram h) als Rest Eisen zusammen mit unvermeidbaren Unreinheiten.

Description

Technisches Umfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft das Umfeld von Stählen und Lagern. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine neuartige Stahllegierung, eine Lagerkomponente mit dieser Stahllegierung und ein Verfahren zum Ausbilden der Lagerkomponente.
Hintergrund
Lager sind Vorrichtungen, die eine beschränkte relative Bewegung zwischen zwei Teilen ermöglichen. Wälzlager umfassen innere und äußere Laufringe und mehrere Wälzkörper (Kugeln oder Rollen), die dazwischen angeordnet sind. Für eine lang dauernde Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ist es wichtig, dass die verschiedenen Elemente einen hohen Widerstand gegenüber Wälzkontaktermüdung, Verschleiß und Kriechdehnung haben.
Keramische Wälzkörper wurden in Betracht gezogen für die Verwendung in Wälzlageranwendungen, inklusive einer hochbelasteten Hauptachse von Flugmaschinen. Es gibt jedoch bemerkbare intrinsische Begrenzungen, die mit der Verwendung von keramischen Materialien bei sicherheitskritischen Anwendungen einhergehen. Pulvermetallurgische (PM) Hochgeschwindigkeitsstähle (HSS) bieten eine Alternative für spezielle, sehr hochbelastete, Hochtemperaturanforderungen von Flugmaschinen.
Der Hochgeschwindigkeitsstahl M62 zeigt eine hohe Härte und umfasst üblicherweise 1,25 bis 1,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 bis 0,4 Gew.-% Silizium, 0,15 bis 0,45 Gew.-% Mangan, 3,5 bis 4 Gew.-% Chrom, 10 bis 11 Gew.-% Molybdän, 1,8 bis 2,2 Gew.-% Vanadium, 5,75 bis 6,5 Gew.-% Wolfram und als Rest Eisen mit unvermeidbaren Unreinheiten. Wälzkörper, die aus dem Hochgeschwindigkeitsstahl M62 ausgebildet sind, wurden in Hochtemperaturflugmaschinen angewandt. Derartige Wälzkörper können durch Wiederschmelz- und Verfestigungstechniken wie beispielsweise Vakuuminduktionsschmelzen (VIM) und Vakuumlichtbogenveredelung (VAR) hergestellt werden. M62 umfasst einen großen Anteil von Wolfram. Da Wolfram ein teures Element ist, sind die Kosten von M62 hoch. Es gibt deshalb einen Bedarf für eine Stahllegierung mit einer vergleichbaren Härte zu M62, die aber nicht so große Mengen an teuren Elementen, wie beispielsweise Kobalt oder Wolfram, aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einige der dem Stand der Technik zugeordneten Probleme anzugehen oder zumindest zu lindern, oder eine kommerziell akzeptierte Alternative dazu bereitzustellen.
Zusammenfassung
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine kobaltfreie Stahllegierung bereit mit:

a) 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff
b) 4 bis 6 Gew.-% Chrom
c) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan
d) 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium
e) 9 bis 11 Gew.-% Molybdän
f) 6 bis 8 Gew.-% Vanadium
g) optional ein oder mehrere der folgenden Elemente: 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium 0 bis 0,05 Gew.-% Phosphor 0 bis 0,05 Gew.-% Schwefel 0 bis 0,1 Gew.-% Titan 0 bis 0,1 Gew.-% Niob 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal 0 bis 0,1 Gew.-% Bor 0 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Sauerstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Kalzium 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram
h) als Rest Eisen mit unvermeidbaren Unreinheiten.

Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passsagen werden verschiedene Aspekte der Erfindung in größerem Detail definiert. Jeder so definierte Aspekt kann mit irgendeinem anderen Aspekt oder Aspekten kombiniert werden, außer es wird klar das Gegenteil angegeben. Insbesondere können beliebige Eigenschaften, die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben werden, mit einer beliebigen anderen Eigenschaften oder Eigenschaften, die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben werden, kombiniert werden.
Im Anschluss an eine Wärmebehandlung weist die Stahllegierung üblicherweise eine Mikrostruktur mit vanadiumreichen Karbiden und/oder Carbonitriden auf. Eine derartige Mikrostruktur resultiert in einer Stahllegierung, die eine hohe Härte, beispielsweise eine Härte von 60 HRC oder mehr, üblicherweise 65 HRC oder mehr zeigt. Dementsprechend kann die Stahllegierung effektiv in hochbelasteten Umgebungen, wie beispielsweise bei Luft- und Raumfahrtlagern verwendet werden. Vorteilhafterweise kann die Legierung eine derartig hohe Härte erreichen, ohne einen hohen Anteil von kostenintensiven Elementen, wie beispielsweise Kobalt oder Wolfram aufzuweisen. Die Stahllegierung kann eine Lagerstahllegierung sein.
Sobald sie wärmebehandelt wurden, haben konventionelle hochkohlenstoffhaltige Stähle (z. B. Fe-1C-1,5 Cr) üblicherweise eine perlitische Struktur und müssen deshalb vor der Bearbeitung in einer Lagerkomponente und vor der finalen Wärmebehandlung enthärtet werden. Eine Möglichkeit des Enthärtens des Stahls beinhaltet eine lange Wärmebehandlung bei Temperaturen, bei denen nur Zementit und Ferrit stabil sind, was dazu führt, dass die Lamellen des Zementits Kugeln formen, was durch eine Reduktion im Gesamtbetrag des Zementit-/Ferritschnittbereichs angetrieben wird. Eine derartige kugelbildende Wärmebehandlung kann unökonomisch sein, und kann die Kosten zum Herstellen der Lagerkomponente vergrößern. Ein alternatives Verfahren zum Enthärten bestimmter hochkohlenstoffhaltiger Stähle, beispielsweise Fe-1C-1,5 Cr ist es, eine sogenannte geschiedene perlitische Mikrostruktur auszubilden, in der Ferrit und Zementit aus dem Austenit in einer nicht kooperativen Weise wachsen, was in der Ausbildung einer ferritischen Matrix mit kugelförmigen Zementitpartikeln resultiert, die eingebettet sind. Eine derartige geschiedene Perlitstruktur kann durch das Anwenden spezieller ökonomischer kugelbildender Wärmebehandlungen erreicht werden, das heißt einer Wärmebehandlung, die bei relativ geringen Temperaturen und/oder kurzen Erhitzungszeiten ausgeführt wird. Dennoch sind viele hochkohlenstoffhaltige Stähle, inklusive M62, nicht fähig, eine derartige geschiedene Perlitstruktur auszubilden. Dementsprechend müssen sie durch das Anwenden von langen Hochtemperatur-Wärmebehandlungsregimen enthärtet werden. Vorteilhafterweise ist die Stahllegierung der vorliegenden Erfindung fähig, eine geschiedene Perlitstruktur auszubilden, was bedeutet, dass sie verwendet werden kann, um Lagerkomponenten ökonomischer herzustellen. Beispielsweise kann die Stahllegierung der vorliegenden Erfindung eine geschiedene Perlitstruktur nach einer Wärmebehandlung bei ungefähr 875 °C für wenig über fünf Stunden ausbilden.
Die Stahllegierung weist 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 2,2 bis 2,8 Gew.-% Kohlenstoff, mehr bevorzugt 2,4 bis 2,6 Gew.-% Kohlenstoff, noch mehr bevorzugt 2,45 bis 2,55 Gew.-% Kohlenstoff auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 2,5 Gew.-% Kohlenstoff auf. In Kombination mit den anderen Legierungselementen resultiert dies in der gewünschten Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Härte. Der hohe Anteil von Kohlenstoff in dem Stahl ist bei der gegebenen Vanadiumkonzentration der Legierung nötig, die verursacht, dass eine signifikante Menge von Kohlenstoff in vanadiumreichen Karbiden und/oder Carbonitriden gebunden ist.
Die Stahllegierung weist 4 bis 6 Gew.-% Chrom auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, mehr bevorzugt 4,8 bis 5,2 Gew.-% Chrom, noch mehr bevorzugt 4,9 bis 5,1 Gew.-% Chrom auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 5 Gew.-% Chrom auf. Chrom dient zum Vergrößern der Härtbarkeit. Chrom stellt auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeitseigenschaft des Stahls bereit. Chrom steuert die Stabilität von verschiedenen Ausbildungen von Karbiden, sodass es keinem Karbid ermöglicht wird, exzessiv zu wachsen, was bedeutet, dass sich die Stahleigenschaften nicht während der Wärmebehandlung verschlechtern.
Die Stahllegierung weist 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mangan, mehr bevorzugt 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 0,35 Gew.-% Mangan auf. Mangan kann eine Hitzeverkürzung des Stahls verhindern.
Die Stahllegierung weist 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 0,2 bis 0,7 Gew.-% Silizium, mehr bevorzugt 0,3 bis 0,4 Gew.-% Silizium auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 0,35 Gew.-% Silizium auf. Silizium kann während des Stahlherstellungsprozesses als ein Deoxidiermittel zugegeben werden. Silizium kann auch dazu dienen, die Stärke und Härte zu vergrößern, insbesondere die Härte in dem Martensit angelassenen Zustand. Höhere Anteile von Silizium können das Risiko des Überhitzens des Stahls während des Härtens (Austenitisierung) vergrößern.
Die Stahllegierung weist 9 bis 11 % Molybdän auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 9,55 bis 10,5 Gew.-% Molybdän, bevorzugter 9,8 bis 10,2 Gew.-% Molybdän auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 10 Gew.-% Molybdän auf. Molybdän dient dazu, die Austenit-Korn-Grenzversprödung zu verhindern, die Unreinheiten geschuldet ist, wie beispielsweise Phosphor. Molybdän dient auch dazu, die Härte zu vergrößern. Molybdän ist ein starker Karbidformer und kann zu einer sekundären Härte beim Anlassen des Stahls bei Temperaturen von ungefähr 500 °C oder darüber beitragen. Dementsprechend kann die Stahllegierung eine hohe Hitzehärte aufweisen. Molybdän verleiht eine Härte für schwere Dienste, insbesondere, um strukturelle Spitzenbelastungen zu überstehen, und stellt besonders hitzeresistente Legierungen bereit.
Die Stahllegierung weist 6 bis 8 Gew.-% Vanadium auf. Die Stahllegierung weist vorzugsweise 6,5 bis 7,5 Gew.-% Vanadium, bevorzugter 6,8 bis 7,2 Gew.-% Vanadium, noch bevorzugter 6,9 bis 7,1 Gew.-% Vanadium auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung ungefähr 7 Gew.-% Vanadium auf. In Kombination mit den anderen Legierungselementen, insbesondere Kohlenstoff und Stickstoff, resultiert dies in der gewünschten Mikrostruktur und den gewünschten mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Härte. Vanadium und Kohlenstoff bilden Vanadiumkarbide und/oder Carbonitride. Vanadiumkarbide und Carbonitride sind sehr hart und unglaublich stabil verglichen mit anderen Arten der Karbide oder Carbonitride, die in Werkzeugstählen üblich sind. Dementsprechend zeigt die Stahllegierung eine hohe Härte kombiniert mit einer strukturellen Stabilität.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung 2,2 bis 2,8 Gew.-% Kohlenstoff, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mangan, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Silizium, 9,5 bis 10,5 Gew.-% Molybdän und 6,5 bis 7,5 Gew.-% Vanadium auf. Eine derartige Legierung kann eine der Wärmebehandlung nachfolgende hohe Härte zeigen, und kann eine geschiedene Perlitstruktur ausbilden, nachdem sie einer besonders geeigneten kugelformherstellenden Wärmebehandlung unterzogen wurde.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stahllegierung 2,4 bis 2,6 Gew.-% Kohlenstoff, 4,8 bis 5,2 Gew.-% Chrom, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Silizium, 9,8 bis 10,2 Gew.-% Molybdän und 6,8 bis 7,2 Gew.-% Vanadium auf. Eine derartige Legierung zeigt in Folge von einer Wärmebehandlung eine besonders hohe Härte und kann eine geschiedene Perlitstruktur ausbilden, nachdem sie einer besonders geeigneten kugelformherstellenden Wärmebehandlung unterzogen wurde.
Die Stahllegierung kann optional 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Kupfer aufweisen. Dies kann eine Folge eines Schmelzens von Altstahl sein, um die Legierung auszubilden.
Die Stahllegierung kann optional 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Nickel aufweisen. Dies kann eine Folge eines Schmelzens von Altstahl sein, um die Legierung auszubilden. Nickel kann auch dazu dienen, die Härtfähigkeit zu erhöhen, und die Stärke zu beeinflussen.
Die Stahllegierung kann optional 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Aluminium aufweisen. Aluminium kann als Deoxidiermittel verwendet werden. Aluminium zusammen mit Stickstoff (Aluminiumnitride) kann auch dazu dienen, die vorausgehende Austenitgranulatgröße in der Legierung zu steuern.
Die Stahllegierung kann wolframfrei sein. Alternativ kann die Stahllegierung optional 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Wolfram, aufweisen. Während Wolfram vorzugsweise im Hinblick auf die Kosten auf einem Minimum gehalten wird, können geringe Mengen von Wolfram dazu dienen, eine Karbidversprödung während eines verlängerten Anlassens zu verhindern.
Die Stahllegierung kann optional 0 bis 0,1 Gew.-%, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% von einem oder mehreren von Titan, Niob, Tantal, Bor, Stickstoff und Calcium aufweisen.
Andere Elemente, die vorhanden sein können, umfassen Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Vorzugsweise ist das Vorhandensein dieser Elemente auf ein Minimum beschränkt. Wenn Phosphor vorhanden ist, sollte sein Gehalt im Allgemeinen nicht 0,05 Gew.-% überschreiten. Üblicherweise wird der Phosphorgehalt ungefähr 0,004 Gew.-% sein. Wenn Schwefel vorhanden ist, sollte dessen Gehalt nicht 0,05 Gew.-% überschreiten. Üblicherweise wird der Schwefelgehalt ungefähr 0,003 Gew.-% sein. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, sollte dessen Gehalt im Allgemeinen nicht 0,1 Gew.-% überschreiten. Vorzugsweise überschreitet der Sauerstoffgehalt nicht 0,01 Gew.-%, bevorzugter überschreitet der Sauerstoffgehalt nicht 50 ppm.
Es wird anerkannt werden, dass der Stahl für eine Verwendung in Lagerkomponenten gemäß der vorliegenden Erfindung, unvermeidbare Unreinheiten aufweisen kann, obwohl es insgesamt unwahrscheinlich ist, dass diese 0,5 Gew.-% der Zusammensetzung überschreiten. Vorzugsweise umfassen die Legierungen unvermeidbare Unreinheiten in einer Menge von nicht mehr als 0,3 Gew.-% der Zusammensetzung, bevorzugter nicht mehr als 0,1 Gew.-% der Zusammensetzung. Mit Hinblick auf Phosphor, Schwefel und Sauerstoff wird die Menge dieser drei Elemente bevorzugt auf einem Minimum gehalten.
Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können ausschließlich aus den angegebenen Elementen bestehen. Es wird deshalb anerkannt werden, dass zusätzlich zu diesen Elementen, die obligatorisch sind, andere nicht spezifizierte Elemente in der Komposition vorhanden sein können, vorausgesetzt, dass die essentiellen Eigenschaften der Verwendung nicht materiell durch deren Vorhandensein beeinträchtigt werden.
Die Stahllegierung weist vorzugsweise eine Mikrostruktur mit einer angelassenen martensitischen Matrix auf, in der Karbide und/oder Carbonitride, üblicherweise Vanadiumkarbidausfällungen, eingebettet sind. Eine solche Mikrostruktur resultiert in den bevorzugten mechanischen Eigenschaften der Stahllegierung, insbesondere einer hohen Härte. Die Mikrostruktur kann üblicherweise bis zu 20 Vol.-% Karbide, noch typischer 15 bis 19 Vol.-% Karbide, beispielsweise ungefähr 17 Vol.-% Karbide aufweisen.
Die Stahllegierung wird vorzugsweise durch eine pulvermetallurgische Technik ausgebildet. Eine derartige Technik kann die Herstellung von einem hochlegierten Stahl mit einer größeren Härte und Stärke nach sekundären Härteoperationen ermöglichen, insbesondere von einem Stahl mit einer Mikrostruktur, die feine Vanadiumkarbidausfällungen aufweist. Dementsprechend ist dieser Weg vorteilhaft für Hochlast-Lageranwendungen. Geeignete pulvermetallurgische Techniken umfassen beispielsweise ein Vakuuminduktionsschmelzen (beispielsweise durch die Technik der Schmelztiegel-Verdichtungsmetalle-CPM) oder Elektroschlagprozesse (z. B. den ASEA-Storaprozess-ASP).
Die Stahllegierung hat typischerweise einen Stärke von mindestens 60 HRC, vorzugsweise mindestens 65 HRC. Eine derartige Stärke kann ermöglichen, dass die Legierung effektiv in einer Lagerkomponente, insbesondere einer Lagerkomponente, die in einer Hochlast-Umgebung arbeitet, verwendet wird.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Lagerkomponente, die die Stahllegierung, wie hierin beschrieben, aufweist, bereit.
Die Lagerkomponente kann zumindest entweder ein Wälzkörper (beispielsweise Kugel oder Rolle), ein Innenring oder ein Außenring sein. Die Lagerkomponente könnte auch Teil eines Linearlagers, wie beispielsweise eine Kugel oder eine Laufrollenschraube sein.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Lager bereit, das die hierin beschriebene Lagerkomponente aufweist.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Stahllegierung, wie hierin beschrieben, bereit, wobei das Verfahren aufweist:

i) Bereitstellen einer Stahllegierungszusammensetzung mit: a) 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff b) 4 bis 6 Gew.-% Chrom c) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan d) 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium e) 9 bis 11 Gew.-% Molybdän f) 6 bis 8 Gew.-% Vanadium
g) optional eines oder mehrere der folgende Elemente 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium 0 bis 0,05 Gew.-% Phosphor 0 bis 0,05 Gew.-% Schwefel 0 bis 0,1 Gew.-% Titan 0 bis 0,1 Gew.-% Niob 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal 0 bis 0,1 Gew.-% Bor 0 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Sauerstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Kalzium 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram
h) als Rest Eisen mit unvermeidbaren Unreinheiten; und
ii) Bilden einer Stahllegierung aus der Lagerstahlzusammensetzung durch eine pulvermetallurgische Technik.

Das Verfahren kann verwendet werden, um die hierin beschriebene Stahllegierung herzustellen.
Das Verfahren, das in der vorliegenden Erfindung beschäftigt ist, involviert eine Pulvermetallurgie. Eine Pulvermetallurgie verlässt sich typischerweise auf eine Form- und Herstellungstechnik, die drei Hauptverfahrensschritte aufweist:
Pulverisierung: Das zu handhabende Material wird physikalisch pulverisiert und in viele kleine individuelle Teilchen geteilt.
Formen: Das Pulver wird in eine Form eingespritzt, oder durch eine Form geführt, um eine schwach kohäsive Struktur auszubilden, die in ihren Abmessungen nahe am gewünschten Produkt ist.
Verpressung: Der geformte Artikel wird einer Zusammenpressung und optional hohen Temperaturen ausgesetzt, um den finalen Artikel auszubilden.
Jeder der pulvermetallurgischen Schritte ist im Stand der Technik üblich.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung umfasst die pulvermetallurgische Technik die Schritte der Gaspulveratomisierung der Lagerstahlzusammensetzung, gefolgt von einem heißisotaktischen Pressen. Die Gaspulveratomisierung verwendet vorzugsweise ein inertes Gas (beispielsweise ein Gas mit oder bestehend aus Stickstoff) in einem geschlossenen System, sodass eine Kontamination des Pulvers reduziert ist.
Die in dem Verfahren verwendete Zusammensetzung entspricht vorzugsweise der Zusammensetzung des hergestellten finalen Artikels. Dennoch kann sich, während die Gewichtsprozentanteile der meisten Elemente im Wesentlichen konstant bleiben, der Stickstoffgehalt leicht verringern, beispielsweise aufgrund eines Entgasens.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden der Lagerkomponente, wie sie hierin beschrieben ist, bereit, wobei das Verfahren aufweist:

(I) Herstellen einer Stahllegierung, indem der hierin beschriebenen Prozess verwendet wird;
(II) Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur von 800 bis 1.000 °C, um eine Mikrostruktur mit geschiedenen Perliten bereitzustellen;
(III) Formen der Legierung in Form einer Lagerkomponente; und
(IV) Aussetzen der geformten Legierung einer härtenden Wärmebehandlung.

Die Temperatur des Schritts (II) ist vorzugsweise 825 bis 925 °C, mehr bevorzugt 850 bis 900 °C, noch mehr bevorzugt ungefähr 875 °C. Solche Temperaturen sind üblicherweise knapp oberhalb einer Temperatur, an welche sich jeglicher Ferrit auflöst, und die Legierung wird üblicherweise auf solchen Temperaturen für eine ausreichende Zeit gehalten, um Austenit und eine kleine Menge unaufgelöste Karbide auszubilden. Der Schritt (II) kann weiterhin ein langsames Abkühlen auf eine Temperatur von 650 bis 750 °C, vorzugsweise 670 bis 690 °C über einen Zeitraum von 1 bis 4 Stunden, vorzugsweise von 2 bis 3 Stunden, aufweisen. Ein solches langsames Abkühlen kann darin resultieren, dass die geschiedene Perlitreaktion auftritt. Die Legierung kann dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Schritt (IV) umfasst vorzugsweise:

(A) Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur von 1.050 bis 1.200 °C, um die Zusammensetzung zumindest teilweise zu austenitisieren;
(B) Abschrecken der Legierung auf eine Temperatur von weniger als 100 °C; und
(C) Ausführen einer anlassenden Wärmebehandlung.

In Schritt (A) ist die Zusammensetzung zumindest teilweise austenitisiert, vorzugsweise vollständig austenitisiert, mit einigen zurückgehaltenen unaufgelösten Karbiden. Dies wird erreicht durch das Erhitzen der Legierungszusammensetzung auf eine Temperatur von 1.050 bis 1.200 °C, vorzugsweise 1.100 bis 1.160 °C, noch bevorzugter 1.120 bis 1.140 °C und am meisten bevorzugt ungefähr 1.130 °C. Die Zusammensetzung kann auf diesem Temperaturregime für bis zu ungefähr 10 Minuten gehalten werden. Der Schritt (B) kann in einer Bleibehaltung von Vanadiumkarbiden resultieren.
Das Verfahren kann weiterhin einen härtenden Vakuumvorerhitzungsschritt vor dem Schritt (IV) aufweisen.
Der Vorerhitzungsschritt kann beispielsweise aufweisen:
Erhitzen auf eine Temperatur von 550 bis 650 °C (üblicherweise ungefähr 600 °C) und dann ausgleichen; dann
Erhitzen auf eine Temperatur von 750 bis 850 °C (typischerweise ungefähr 800 °C) und dann ausgleichen; dann
Erhitzen auf eine Temperatur von 1.050 bis 1.100 °C (üblicherweise ungefähr 1.080 °C).
Das Erhitzen auf eine Temperatur von ungefähr 1.050 bis 1.100 °C wird typischerweise mit einer Rate von 1 bis 10 °C/min, typischer ungefähr 5 °C/min ausgeführt. Die Stahllegierung wird üblicherweise vor dem Vorerhitzungsschritt gereinigt und entfettet. Der Vorerhitzungsschritt kann durch Verwendung eines konventionellen Ofens ausgeführt werden. Die Stahllegierung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 250 °C oder weniger in den Ofen eingeführt. Der Vorerhitzungsschritt kann die Härte der Stahllegierung erhöhen, was vorteilhaft sein kann, wenn die Stahllegierung in einer Lagerkomponente verwendet wird.
Der Schritt (B) umfasst vorzugsweise ein Gasabschrecken, bei dem zum Beispiel Stickstoffgas mit einem Druck von 6 bis 8 bar verwendet wird. Das Abschrecken wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 40 bis 50 °C ausgeführt. Die Kühlrate während des Abschreckens ist ausreichend schnell, so dass die Formation von Korngrenzkarbiden verhindert wird.
Der Schritt (C) kann vorzugsweise den reduzierten Austenitgehalt der Stahllegierung auf einem Minimum halten. Der Schritt (C) umfasst vorzugsweise:
Anlassen der Legierung bei einer Temperatur von 500 bis 600 °C für mindestens 1 Stunde; und
Abkühlen der Legierung auf eine Temperatur von weniger als –100 °C.
Das Anlassen wird vorzugsweise in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre ausgeführt. Das Anlassen wird vorzugsweise für ein 1 bis 3 Stunden ausgeführt. Längere Anlasszeiten können angewandt werden. Das Anlassen wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 530 bis 580 °C, mehr bevorzugt bei 530 °C ausgeführt. Die Legierung wird vorzugsweise auf eine Temperatur von –220 bis –150 °C, mehr bevorzugt auf ungefähr –196°C zwischen dem Anlassen, abgeschreckt. Das Abschrecken kann ausgeführt werden, indem beispielsweise flüssiger Stickstoff verwendet wird. Wenn ein schnelles Abschrecken ausgeführt wird, beispielsweise durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff, wird die Legierung vor dem schnellen Abschrecken vorzugsweise langsamer auf Raumtemperatur abgekühlt.
Der Schritt (C) wird vorzugsweise 2- bis 4mal, mehr bevorzugt 3- bis 4mal ausgeführt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die folgenden nicht limitierenden Figuren beschrieben, bei denen:
1 ein Bild eines Elektromikroskopscans einer Stahllegierung gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Kugelausbildung zeigt.
2 zeigt eine graphische Darstellung der Kugelausbildungsbehandlung von Beispiel 1.
3 zeigt ein Bild eines Elektromikroskopscans einer Stahllegierung gemäß der vorliegenden Erfindung nach der Kugelausbildung.
4 zeigt ein Bild eines Elektronenmikroskopscans der Stahllegierung gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer finalen Wärmebehandlung.
Beispiel 1
20 kg Stahl wurden mittels Flüssigstahlatomisierung hergestellt. Diesem folgte ein heißisostatisches Drücken (HIP), das eine gute Konsolidierung des Metallpulvers sicherstellt. Der heißisostatisch gepresste Stahl wurde in Form von Minikapseln geliefert. Die Minikapseln wurden nachfolgend nicht hitzebehandelt. Die chemische Zusammensetzung des Stahls ist in Tabelle 1 beschrieben.

Code C Cr Mn Si Mo V

13MR0057 (nominell) 2,50 5,0 0,30 0,10 10,0 7,00

13MR0057 (tatsächlich) 2,47 4,97 0,35 0,34 10,04 7,04

Tabelle 1: Die chemische Zusammensetzung des PM-Stahls, in Gew.-%. Der Ausgleichsrest ist Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Stahlstruktur hat in dem heißisostatisch gepressten Zustand eine Martensitmatrix. Dies ist in 1 gezeigt.
Die folgende kugelbildende Behandlung wurde an dem Stahl ausgeführt: Erhitzen der Stahllegierung auf ungefähr 875 °C über eine Zeitdauer von 2 Stunden; Halten des Stahls auf ungefähr 875 °C für eine Zeitdauer von ungefähr 1,5 Stunden; Abkühlen des Stahls auf eine Temperatur von ungefähr 680 °C über einen Zeitraum von ungefähr 2,5 Stunden; und Abschrecken des Stahls auf Raumtemperatur.
Die kugelausbildende Behandlung ist in 2 gezeigt (die gestrichelte Linie zeigt die entsprechende Änderung in der Länge des Dilatometrieprobenstabs). Nach der Kugelformausbildung zeigt der Stahl eine geschiedene Perlitstruktur, wie in 3 dargestellt. Eine derartige geschiedene Perlitstruktur wird vorteilhafterweise in nur wenig über 5 Stunden erhalten.
Der Stahl wurde gereinigt und entfettet, bevor die folgende Wärmebehandlung ausgeführt wurde: Vakuumhärten mit einer Vorerhitzung (in drei Schritten bei: 600 °C und Ausgleichung, dann bei 800 °C und Ausgleichung, dann Erhöhung der Temperatur auf 1.080 °C in ungefähr 56 Minuten (wobei die Erhitzungsrate zwischen 800 und 1.080 °C ungefähr 5°C/min war)); Austenitisierung bei 1.130 °C ± 5 °C für 10 Minuten bei der Temperatur; Gasabschrecken mit einem Stickstoffdruck von 6 bis 8 bar (eine Überführungszeit in die Abschreckkammer wurde auf einem Minium gehalten – Abkühlung auf 40 bis 50 °C); sofortiges Anlassen bei 560 °C × 1 Stunde Minimum bei Temperatur im Vakuum; Abkühlen auf Raumtemperatur (25 °C); Tiefkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (Zeit bei der Temperatur war eine Stunde); Anlassen auf 560 °C × 1 Stunde Minimum bei Temperatur im Vakuum; Abkühlen auf Raumtemperatur (25 °C); Tiefkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (Zeit bei dieser Temperatur war eine Stunde); Anlassen auf 560 °C × 1 Stunde Minimum bei Temperatur im Vakuum; Abkühlen auf Raumtemperatur (25 °C); und Tiefkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (Zeit bei der Temperatur war eine Stunde).
Im Anschluss an die Wärmebehandlung zeigte die Stahllegierung die in 4 gezeigte Mikrostruktur. Wie in 4 zu sehen ist, umfasst die Mikrostruktur eine angelassene Martensitmatrix in der Vanadiumkarbidausfällungen (ungefähr 16, 8 % pro Bereich) eingebettet sind. Die wärmebehandelte Stahllegierung zeigt eine hohe Rockwellhärte von 65,2 HRC mit einer Standardabweichung von ±0,04 (Mittelwert von sechs Messungen).
Die vorstehende detaillierte Beschreibung wurde bereitgestellt als Beispiel und Illustration und ist nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der anhängigen Ansprüche einzuschränken. Viele Variationen in den momentan bevorzugten Ausführungsbeispiele, die hierin illustriert sind, werden einem Fachmann klar und bleiben innerhalb des Schutzbereichs der angehängte Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims

Kobaltfreie Stahllegierung mit: a) 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff b) 4 bis 6 Gew.-% Chrom c) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan d) 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium e) 9 bis 11 Gew.-% Molybdän f) 6 bis 8 Gew.-% Vanadium g) optional eines oder mehrere der folgenden Elemente: 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium 0 bis 0,05 Gew.-% Phosphor 0 bis 0,05 Gew.-% Schwefel 0 bis 0,1 Gew.-% Titan 0 bis 0,1 Gew.-% Niob 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal 0 bis 0,1 Gew.-% Bor 0 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Sauerstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Kalzium 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram h) als Rest Eisen zusammen mit unvermeidbaren Unreinheiten.
Stahllegierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung 2,2 bis 2,8 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise 2,4 bis 2,6 Gew.-% Kohlenstoff, noch bevorzugter 2,45 bis 2,55 Gew.-% aufweist.
Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, vorzugsweise 4,8 bis 5,2 Gew.-% Chrom, noch bevorzugter 4,9 bis 5,1 Gew.-% Chrom aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mangan, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 0,2 bis 0,7 Gew.-% Silizium, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 Gew.-% Silizium aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 9,5 bis 10,5 Gew.-% Molybdän, vorzugsweise 9,8 bis 10,2 Gew.-% Molybdän aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 6,5 bis 7,5 Gew.-% Vanadium, vorzugsweise 6,8 bis 7,2 Gew.-% Vanadium, noch bevorzugter 6,9 bis 7,1 Gew.-% Vanadium aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 2,2 bis 2,8 Gew.-% Kohlenstoff, 4,5 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mangan, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Silizium, 9,5 bis 10,5 Gew.-% Molybdän und 6,5 bis 7,5 Gew.-% Vanadium aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung 2,4 bis 2,6 Gew.-% Kohlenstoff, 4,8 bis 5,2 Gew.-% Chrom, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Silizium, 9,8 bis 10,2 Gew.-% Molybdän und 6,8 bis 7,2 Gew.-% Vanadium aufweist
Stahllegierung nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Mikrostruktur, die Vanadiumkarbidausfällungen aufweist.
Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch eine pulvermetallurgische Technik ausgebildet wurde.
Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahl eine Härte von ≥ 60 HRC, vorzugsweise ≥ 65 HRC, aufweist.
Lagerkomponente mit einer Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Lagerkomponente nach Anspruch 13, die zumindest entweder ein Wälzkörper, ein Innenring oder ein Außenring ist.
Lager mit einer Lagerkomponente nach Anspruch 13 oder Anspruch 14.
Verfahren zum Herstellen einer Stahllegierung, wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 definiert, wobei das Verfahren umfasst: i) Bereitstellen einer Stahllegierungszusammensetzung mit: a) 2 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff b) 4 bis 6 Gew.-% Chrom c) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan d) 0,1 bis 0,9 Gew.-% Silizium e) 9 bis 11 Gew.-% Molybdän f) 6 bis 8 Gew.-% Vanadium g) optional eines oder mehrere der folgende Elemente 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer 0 bis 0,2 Gew.-% Nickel 0 bis 0,1 Gew.-% Aluminium 0 bis 0,05 Gew.-% Phosphor 0 bis 0,05 Gew.-% Schwefel 0 bis 0,1 Gew.-% Titan 0 bis 0,1 Gew.-% Niob 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal 0 bis 0,1 Gew.-% Bor 0 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Sauerstoff 0 bis 0,1 Gew.-% Kalzium 0 bis 0,1 Gew.-% Wolfram h) als Rest Eisen, zusammen mit unvermeidbaren Unreinheiten; und ii) Ausbilden einer Stahllegierung aus der Lagerstahlzusammensetzung mittels einer pulvermetallurgischen Technik.
Verfahren zum Ausbilden einer Lagerkomponente nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei das Verfahren umfasst: (I) Herstellen einer Stahllegierung mittels des Verfahrens nach Anspruch 16; (II) Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur von 800 bis 1.000 °C, um eine Mikrostruktur mit geschiedenen Perliten zu erhalten; (III) Formen der Legierung in Form einer Lagerkomponente; und (IV) Aussetzen der geformten Legierung einem härtenden Wärmeprozess.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt (IV) umfasst: (A) Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur von 1.050 bis 1.200 °C, um die Zusammensetzung zumindest teilweise zu austenitisieren; (B) Abschrecken der Legierung auf eine Temperatur von weniger als 100 °C; und (C) Ausführen einer anlassenden Wärmebehandlung.
Verfahren nach Anspruch 18 weiterhin aufweisend einen härtenden Vakuumvorerhitzungsschritt vor dem Schritt (A).
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei der Schritt (B) ein Gasabschrecken aufweist, bei dem ein Stickstoffgasdruck von 6 bis 8 bar verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Schritt (C) aufweist: Anlassen der Legierung auf eine Temperatur von 500 bis 600 °C für mindestens 1 Stunde; und Abschrecken der Legierung auf eine Temperatur von weniger als –100°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Schritt (C) zwei- bis viermal ausgeführt wird.