DE19808276A1

DE19808276A1 - Stahllegierung für Gleitelemente

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Publication number: DE19808276A1
Application number: DE19808276A
Authority: DE
Original assignee: Stahlwerk Ergste Westig GmbH
Current assignee: Stahlwerk Ergste Westig GmbH
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: EP0957181B1; DE19808276C2; ATE217361T1; EP0957181A1; US6235237B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für Gleitelemente von Sportgeräten, insbesondere für Gleit kanten von Wintersportgeräten wie beispielsweise Skier, Skibobs und Schlitten.

Derartige Werkstoffe unterliegen einer außerordentlich vielfältigen Beanspruchung; sie erfordern eine hohe Oberflächengüte, insbesondere eine hohe Gleitfähigkeit sowie hohe Verschleißfestigkeit, Gesamtstabilität und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geringe Vibrations neigung bzw. gute Dämpfungseigenschaften.

Eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständig keit verringert die Notwendigkeit, die Kanten nachzu schleifen, während die Geradlinigkeit bzw. Verzugsfe stigkeit von entscheidender Bedeutung beim Anbringen der Kanten beispielsweise am Ski ist. Schließlich erfordern Gleitelemente- und -kantenwerkstoffe eine gute Verar beitbarkeit, insbesondere ein gutes Umformverhalten, um sie durch Walzen oder Ziehen wirtschaftlich herstellen zu können.

Zum Herstellen von Skikanten mit einem L-förmigen Quer schnitt durch Walzen oder Ziehen schlägt die deutsche Offenlegungsschrift 22 04 270 die Verwendung eines ver gütbaren Stahls vor, dessen Gebrauchseigenschaften im Anschluß an das Vergüten durch eine spezielle Wärmebe handlung eingestellt werden. Diese Wärmebehandlung be steht in einem Perlitisieren der in situ in den Korpus des Skis unterhalb der Lauffläche eingebetteten Flanke unter Beibehaltung des martensitischen Kopfes. Um das zu erreichen, ist ein Erwärmen der Flanke auf eine Tempera tur oberhalb der Anlaßtemperatur und ein gleichzeitiges Kühlen des Kopfes erforderlich. Auf diese Weise ergibt sich ein Skikantenkopf mit hoher Härte und eine verhält nismäßig weiche Flanke, die einen entsprechend geringen Werkzeugverschleiß beim nachfolgenden Ausstanzen von Ausnehmungen gewährleistet.

Mit dieser Wärmebehandlung ist jedoch der Nachteil ver bunden, daß es als Folge des einseitigen Erwärmens zu Krümmungen, d. h. zu sogenannten Säbelabweichungen kommt, die auf eine Volumenkontraktion bei der Umwandlung des ursprünglich martensitischen Gefüges der Profilflanke in den perlitischen Zustand zurückzuführen ist.

Um das Auftreten von Säbelabweichungen zu vermeiden, be grenzt die deutsche Offenlegungsschrift 42 18 099 die Abweichung in der Rockwell-Härte über den Querschnitt und über die Länge des Skikantenprofils im gehärteten und angelassenen Zustand auf unter 2 HRC und schreibt für das Perlitisieren ein gleichmäßiges Wärmeeinbringen sowie im Anschluß an das Perlitisieren ein Biegeverfor men des wärmebehandelten Kantenprofils vor. Durch das Biegeverformen soll die Flanke gleichmäßig gereckt wer den, um auf diese Weise die von der partiellen Wärmebe handlung herrührenden Krümmungen zu beseitigen.

Das vorerwähnte Verfahren ist außerordentlich aufwendig und führt häufig nicht zu dem gewünschten Erfolg, weil es äußerst schwierig ist, die geforderte Gleichmäßigkeit der Härte über die Breite und die Länge des Profils so wie einen gleichmäßigen Biegereckgrad über die Länge der Flanke zu erreichen. Hinzu kommt, daß die zur Verwendung kommenden Vergütungsstähle nicht korrosionsbeständig sind und daher ein häufiges Nachschleifen erfordern.

Bei einem aus der deutschen Offenlegungsschrift 40 00 744 bekannten Verfahren zum Wärmebehandeln in situ wird die Skikante mit Hilfe eines Laserstrahls bei Temperatu ren über 700°C austenitisiert und der Austenit beim Ab kühlen in Martensit umgewandelt. Das In-situ-Erwärmen erfordert jedoch ein sorgfältiges Kühlen des zumeist aus Kunststoff bestehenden geklebten, beispielsweise lami nierten Korpus des Skis. Dazu dienen beim Austenitisie ren mit laufende Kupferräder zum Abführen der Wärme im Bereich Kante/Korpus. Auch dies ist mit Schwierigkeiten verbunden, weil es sich trotz der Wärmeabfuhr wegen der verbleibenden Restwärmemengen nicht für jeden Kunst- oder Klebstoff zum Herstellen von Skiern eignet. Hinzu kommen eine verhältnismäßig geringe Gefügestabilität und innere Spannungen, die ursächlich für Kantenausbrüche bei seitlicher Schlagbeanspruchung und Verzug sein kön nen.

Des weiteren schlägt die schweizerische Patentschrift 902 946 die Verwendung eines Drahts mit einer Nitrier schicht vor, die im Wege eines anschließenden Verformens auf ein austenitisches Gefüge eingestellt und abschlie ßend wärmebehandelt wird. Beim Umformen des Drahts zum Kantenprofil nimmt die Dicke der Nitrierschicht ab und besteht die Gefahr, daß die verbleibende Dicke zu gering ist und die Schicht lokal aufreißt.

Die bekannten Verfahren sind insgesamt sehr aufwendig und führen häufig auch nicht zu reproduzierbaren Eigen schaften. Der Erfindung liegt daher das Problem zu grunde, einen Werkstoff zu finden, der sich zum Her stellen von Gleitelementen, insbesondere Ski- und Snow-Bord-Kan ten eignet und eine vorteilhafte Kombination von Eigenschaften besitzt.

Die Lösung dieses Problems besteht in einer Chrom-Stahl legierung mit

0,2 bis 0,65% Kohlenstoff
12,0 bis 20,0% Chrom
0,3 bis 5,0% Molybdän
0,02 bis 0,4% Stickstoff
bis 2% Mangan
bis 1,4% Silizium
bis 2% Nickel
bis 0,5% Kupfer
bis 0,2% Vanadium und/oder Niob
bis 0,1% Aluminium
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbeding ter Verunreinigungen.

Die erfindungsgemäße Stahllegierung besitzt nach einer Wärmebehandlung eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie ein ausgezeichnetes Schwingungsverhalten mit einem Wirkdämpfungsfaktor von η₃₀₀ < 0,5 bei hoher Korrosions beständigkeit insbesondere gegenüber Cloriden und Ni traten auf. Ursächlich hierfür ist insbesondere die gleichzeitige Anwesenheit von Kohlenstoff, Stickstoff und Molybdän. Dies gilt insbesondere für eine Chrom- Stahllegierung mit

0,30 bis 0,50% Kohlenstoff
15,0 bis 18,5% Chrom
0,5 bis 2,5% Molybdän
0,03 bis 0,15% Stickstoff
0,15 bis 1,60% Mangan
0,10 bis 0,90% Silizium
0,40 bis 1,30% Nickel
bis 0,3% Kupfer
bis 0,1% Vanadium und/oder Niob
bis 0,05% Aluminium
Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Ver unreinigungen Eisen.

Vorzugsweise genügt die Zusammensetzung der erfindungs gemäßen Chrom-Stahllegierung der folgenden Bedingung:

(0,05 bis 0,25).([%C] + 6 [%N]) = (% Mo)/(%Cr)

Die Wärmebehandlung besteht aus einem Erwärmen bei 1000-1100°C in einer vorzugsweise kontinuierlichen Ofenanlage mit einem nachfolgenden Abkühlen bei gleich zeitiger Unterdrückung von Vorkarbidausscheidungen. Die gewünschte Arbeitshärte wird durch eine nachfolgende Wärmebehandlung im Temperaturbereich 200-600°C einge stellt und dient dazu, das Ausscheiden von Vorkarbiden zu unterdrücken.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß sich bei bestimmten Chrom-Stahllegierungen mit Hilfe von Molybdän und Stickstoff nicht nur eine bessere Härtbarkeit und Gefügehomogenität erreichen läßt, sondern auch ein we sentlich besserer Wirkdämpffaktor η₃₀₀ Dieser ergibt sich aus der Abnahme der Hüllkurvenamplitude der Skikanten schwingung nach einer Meßzeit von 300 ms entsprechend der Formel

η₃₀₀ = Y₃₀₀/γ₀

in der γ₀ die Ausgangsamplitude bei Schwingungsbeginn ist.

Während die Wirkdämpfungsfaktoren herkömmlicher Skikan ten-Werkstoffe bei 0,6 bis 0,7 liegen, verringern sie bei der erfindungsgemäßen Chrom-Stahllegierung auf unter 0,5. Ursächlich hierfür sind die Feinkörnigkeit und die homogene Verteilung der Karbide und Karbonitride sowie die von den verhältnismäßig hohen Gehalten an Molybdän und Stickstoff bestimmte Zusammensetzung des Grundgefü ges.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen des näheren erläutert.

Erfindungsgemäße Stahllegierungen A2 bis A5 wurden zu Skikantenprofilen ausgewalzt und sodann durch die vorer wähnte Wärmebehandlung auf eine Härte von 40 bis 50 HRC eingestellt. Herkömmliche Werkstoffe A1 und B1 bis B3 wurden in gleicher Weise gewalzt und wärmebehandelt; ihre Härte lag bei 45 bis 49 HRC.

Die in der Tabelle angegebene Verschleißfähigkeit δ wurde mit Hilfe des Schleifrad-Verfahrens ermittelt. In der Tabelle ist der gemessene Materialabtrag nach einem Schleifweg von 2000 m angegeben.

Die Daten der Tabelle zeigen, daß bei den Stahllegie rungen A2 bis A5 die Härte, der Verschleißwiderstand und die Schwingungsdämpfung als Folge der erfindungsge mäßen Gehalte an Kohlenstoff, Stickstoff, Molybdän und Chrom im Vergleich zu den Stahllegierungen B1 bis B3 wesentlich besser sind.

Claims

1. Chrom-Stahllegierung mit 0,2 bis 0,65% Kohlenstoff, 12,0 bis 20,0% Chrom, 0,3 bis 5,0% Molybdän, 0,02 bis 0,4% Stickstoff, bis 2% Mangan, bis 1,4% Sili zium, bis 2% Nickel, bis 0,5% Kupfer, bis 0,2% Vana dium und/oder Niob, bis 0,1% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigun gen.

2. Stahllegierung nach Anspruch 1 mit 0,30 bis 0,50% Kohlenstoff, 15,0 bis 18,5% Chrom, 0,5 bis 2,5% Molybdän, 0,03 bis 0,15% Stickstoff, 0,15 bis 1,60% Mangan, 0,10 bis 0,90% Silizium, 0,40 bis 1,30% Nickel, bis 0,3% Kupfer, bis 0,1% Vanadium und/oder Niob, bis 0,05% Aluminium, Rest einschließlich er schmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Gehalte an Kohlenstoff, Stickstoff, Molybdän und Chrom der folgenden Bedingung genügen:
(0,05 bis 0,25).([%C] + 6 [%N]) = (% Mo)/(%Cr).

4. Verwendung einer Stahllegierung nach einem der An sprüche 1 bis 3 als Werkstoff für Gleitelemente von Sportgeräten.