EP2791379A1 - Wälzlagerkomponente - Google Patents

Wälzlagerkomponente

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Publication number
EP2791379A1
EP2791379A1 EP12794909.7A EP12794909A EP2791379A1 EP 2791379 A1 EP2791379 A1 EP 2791379A1 EP 12794909 A EP12794909 A EP 12794909A EP 2791379 A1 EP2791379 A1 EP 2791379A1
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EP
European Patent Office
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component
steel
weight
carbon
percent
Prior art date
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Ceased
Application number
EP12794909.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Gegner
Tristan Kaiser
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2791379A1 publication Critical patent/EP2791379A1/de
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces
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    • F16C19/364—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers with tapered rollers, i.e. rollers having essentially the shape of a truncated cone
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    • F16C2204/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • F16C2204/62—Low carbon steel, i.e. carbon content below 0.4 wt%
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    • F16C2300/10—Application independent of particular apparatuses related to size
    • F16C2300/14—Large applications, e.g. bearings having an inner diameter exceeding 500 mm

Definitions

  • Embodiments relate to a component, for example a rolling bearing component, for example a rolling bearing component of a large machine, such as a wind turbine or an industrial gearbox.
  • steel is used on account of its far-reaching manufacturability, its strength, its deformability, its weldability and many other properties.
  • steel can be completely or partially hardened or surface treated by other processes. For example, if only a surface hardening or surface hardening is performed, so the corresponding treated edge layer or surface harder and therefore mechanically and tribo logically resistant, while deeper areas of the component have a lower hardness and therefore a greater toughness, whereby the component as a whole cyclically and statically higher becomes more resilient.
  • Dynamic loads are often introduced into the surface of the components in this, so have a strong impact on the typically cured areas. These stresses can cause dislocation movements in the material, which can ultimately lead to plastic deformation in the interior of the component.
  • the associated stress of the range of grain boundaries in the structure of steel can lead to an inter-crystalline fracture before reaching the strength in volume under susceptible material condition.
  • the hardening of the steel is typically thermal, with the steel of the component being at least partially heated accordingly.
  • Examples of methods used here include martensitic or bainitic through hardening and induction hardening.
  • thermochemical methods by which the surface layer of the steel can be chemically modified include methods that can be used to improve the structural stability of the steel.
  • methods that can be used to improve the structural stability of the steel.
  • the z As unalloyed or low-alloyed steel, z.
  • a case steel typically a carbon content by 0.05 to 0.3 wt .-%.
  • Carbonitriding thus includes both the nitrogen enrichment of the edge layer of through hardening steels and a variant of case hardening, the so-called carbon-nitrogen case hardening, based on Conventional case-hardenable steels typically employing steels having a carbon content of between about 0.05 and 0.3 percent by weight.
  • the object of the present invention is to provide a component having a smaller grain size after a heat treatment in the context of its production.
  • a component according to an exemplary embodiment comprises at least one section that comprises a steel, wherein the section extends from a surface of the component to an interior of the component, and a boundary zone in the section that directly adjoins the surface of the component, and in which a proportion of a chemical element in the steel changes measurably.
  • the steel further comprises tantalum (Ta) at more than 0.4 weight percent by weight, niobium (Nb) at more than 0.1 weight percent, titanium (Ti) at more than 0.12 weight percent, or vanadium (V) at a weight fraction of more than 0.05 percent by weight.
  • Ta tantalum
  • Nb niobium
  • Ti titanium
  • V vanadium
  • Embodiments of a component is based on the finding that a smaller particle size after a heat treatment in the production of the component can be achieved by adding to the steel of the component an alloying element which inhibits grain growth but at least inhibits it. Tantalum, niobium, titanium and vanadium have been found to be effective in this regard, but due to their differential suitability for inhibiting grain growth, they have different proportions by weight in the steel.
  • the chromium content of the steel should be at most 7 percent by weight in order to reduce competition with the abovementioned alloying elements with respect to the carbon also contained in the steel.
  • corresponding precipitates such as carbides, nitrides or carbonitrides, based on the corresponding alloying elements and corresponding mixed crystals, at least partially causes the inhibiting effect on the grain growth by stabilizing the grain boundaries.
  • the steel in the edge zone has, at least in sections, a microstructure with grains having a coefficient of 5 or more according to ASTM.
  • the heat treatment causes a measurable change of a chemical element of the steel in the edge zone.
  • the material of the component according to an embodiment is thus less susceptible to grain growth and coarse grain formation during carburization or carbonitriding and optionally subsequent hardening by alloying or microalloying with said alloying elements. This may be, for example, a change in the carbon content or a change in the nitrogen content.
  • carbon and / or nitrogen can be released or exchanged with the component on the basis of a medium acting on the component from the surface.
  • the proportion of the chemical element in the edge zone can thus change by at least 0.1 percent by weight. In other embodiments of a component, however, even smaller changes in the proportion of the chemical element to the steel may be measurable.
  • changes in the content are typically from about 10 ppm (Parts Per Million, parts of a million), for Carbon in the range from about 0.01 percent by weight detectable and measurable.
  • the nitrogen content is in the range of a few 10 to a few 100 ppm.
  • the steel in the edge zone may have substantially completely a structure with grains having a characteristic value of 5 or more according to ASTM.
  • the edge zone here comprises the zone in which, starting from the surface of the component, a change in the chemical composition of the steel results from the manufacturing process of the component. This typically extends at least 0.1 millimeters into the component, preferably at least 1 mm or up to more than 10 mm.
  • the carbon content of the steel changes measurably and for the material properties of the steel to a considerable extent.
  • the nitrogen content also changes in the edge zone, it being possible, depending on the initial composition of the steel, to form locally an increase, a maximum or even an at least partial reduction of the carbon content.
  • the edge zone and the section of the component which comprises or consists of the steel can be identical. If they are not identical, in a part of the non-peripheral part of the component, the steel will be essentially in its original chemical composition prior to case hardening or carbonitriding.
  • a component according to an embodiment thus builds on a (micro) alloyed, grain-stable steel for a heat treatment process, which may be, for example, a case hardening or carbonitriding.
  • a component according to one embodiment therefore often represents a case-hardened or carbonitrided component or a component produced by case-hardening or carbonitriding.
  • the proportion by weight of tantalum, of niobium, of titanium or of vanadium may amount to at most 2 percent by weight.
  • the proportion of one of the alloying elements tantalum, niobium, titanium or vanadium on the steel tends to increase the inhibiting effect with respect to grain growth, a proportion exceeding about 2 percent by weight may lead to less favorable competing reactions.
  • the alloying elements tantalum, niobium, titanium or vanadium can be used to increase the accessible process temperatures to more than 1000.degree. C., for example up to 1150.degree. C., which can often only be achieved with conventional steels at the expense of increased coarse grain formation.
  • the proportion of tantalum (Ta) at least 1 times, at least 5 times, at least 10 times, at least 20 times, at least 50th times or at least 100 times the amount of niobium (Nb).
  • the steel may optionally have tantalum with a (weight) proportion greater than 1, 5, 10, 20, 50 or more 100 times (by weight) of niobium.
  • the chromium content may amount to at most 5 percent by weight. This may make it possible to reduce competition reactions of the alloying elements tantalum, niobium, titanium or vanadium with the carbon of the steel, optionally with nitrogen or other chemical elements or compounds which may compete with these alloying elements and their stabilizing effect on grain size. However, chromium can help or improve the hardenability of the steel within the limits mentioned.
  • the steel may further comprise an alloying element with a weight fraction between 0.1 and 5 weight percent, wherein the alloying element is molybdenum (Mo), nickel (Ni), silicon (Si), manganese ( Mn) or chromium (Cr).
  • Mo molybdenum
  • Ni nickel
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • Cr chromium
  • the use of these elements as (additional) alloying element can lead to a further improvement in the grain stability, static strength and / or hardenability in the heat treatment of the steel, so that a component according to an embodiment, starting from the surface in the edge zone to a case hardening depth of at least 5 mm may have a hardness of at least 52.5 HRC, without causing an increased coarse grain formation occurs.
  • a fatigue resistance and / or a static strength of the material may thus be improved if necessary, a fatigue resistance and / or a static strength of the material. If necessary, this can be done by increasing the share these (additional) alloying elements can be further increased. It may therefore be useful for a component according to one embodiment to increase the weight fraction of the (additional) alloying element to values between 1 and 5 percent by weight. Additionally or alternatively, the manganese content of the deoxidizing and / or the molybdenum content can improve the tempering resistance.
  • the case hardening depth should be understood as the vertical distance from the surface during case hardening until reaching an ultimate hardness of 550 HV1 or 52.5 HRC.
  • nominal weight percentages are used with respect to the individual components. In the case of steels, deviations from the nominal proportions may occur due to the production-related processes of steel production.
  • the proportion of an alloying element or another component (eg carbon) of a steel of a concrete exemplary embodiment may therefore be below or exceeding the nominal values within the scope of the usual manufacturing and manufacturing tolerances.
  • the steel may thus have hardness or hardenability with at least one hardness value at least one distance value from the surface, at least in sections in the edge zone, optionally also substantially completely in the edge zone and / or in the section of the component. wherein the at least one hardness value is in an interval given by an HRCmax value and an HRCmin value, wherein the HRCmax and HRCmin values exceed the HRCmax and HRCmin values given in Table 2 by up to 1, 2 or 3 HRC may be exceeded or exceeded.
  • the steel in the edge zone may have a carburizing depth of at least 5 mm and / or a carbonitriding depth of at least 0.1 mm, the carburizing depth being a distance from the surface of the component at which a carbon content of the steel is below a predetermined amount of carbon, for example 0.35% by weight, and wherein the carbonitriding depth is a distance from the surface of the component at which a nitrogen content of the steel falls below a predetermined nitrogen content, for example 0.05% by weight.
  • the values of the predetermined carbon content and the predetermined nitrogen content can be set as desired. In the area of carbon is the above Down to 0.35 weight percent widely used. Other values are used for the predetermined nitrogen content.
  • the predetermined proportion of nitrogen may be 0.5% by weight, 0.35% by weight, 0.25% by weight, 0.2% by weight, 0.15% by weight or 0.1% by weight.
  • the carbonitriding depth may also be at least 0.4 mm, at least 0.5 mm, or at least 0.75 mm.
  • the carburizing depth and / or the carbonitriding depth may also be values of less than 5 mm or less than 0.1 mm. However, these depths can also take on larger values.
  • the component in the edge zone at least in sections, but optionally also continuously, have a carbon content of at least 0.35 weight percent and a hardness value of at least 52.5 HRC.
  • the steel may have non-metallic inclusions in accordance with ASTM E45 (2011 Edition) and ISO 4967 (1998-10 release date) which are at most equal to the values defined in Table 3.
  • the steel may also have non-metallic inclusions in accordance with DIN 50602: 1985, which correspond at most to the values defined in Table 4.
  • a component according to an exemplary embodiment may be a rolling bearing component, for example a rolling bearing component of a large-scale machine, for example a wind power plant, a tidal power plant, a generator, a construction machine, a transporter, a train, a rolling mill, a marine propulsion, a paper machine or an aircraft.
  • a rolling bearing component for example a rolling bearing component of a large-scale machine, for example a wind power plant, a tidal power plant, a generator, a construction machine, a transporter, a train, a rolling mill, a marine propulsion, a paper machine or an aircraft.
  • Fig. 1 shows a cross section through a component according to an embodiment
  • Fig. 2 shows a cross section through a tapered roller bearing with components according to embodiments
  • FIG. 3 illustrates a profile of a hardness and a carbon content along a line perpendicular to a surface of a component according to an embodiment produced by a case hardening process
  • FIG. 4 illustrates a graph of a hardness, a carbon content, and a nitrogen content along a line perpendicular to a surface of a component according to an embodiment prepared by a carbonitriding process based on a thermosetting steel.
  • summary reference characters for objects, structures, and other components are used when describing the component in question itself or several corresponding components within one embodiment or within several embodiments. Passages of the description which refer to one component are therefore also transferable to other components in other embodiments, unless this is explicitly excluded or if this results from the context. If individual components are designated, individual reference symbols based on the corresponding summarizing reference symbols are used. In the following description of embodiments, therefore, the same reference numerals designate the same or similar components. Components which occur multiple times in one exemplary embodiment or in different exemplary embodiments may in this case be embodied identically and / or differently with respect to some of their technical parameters or implemented. It is thus possible, for example, that several components within an embodiment may be identical with respect to one parameter, but different with respect to another parameter.
  • the component 100 can be, for example, a rolling bearing component, that is to say, for example, a roller bearing ring (inter alia outer or inner ring) or else a rolling body (inter alia a cylindrical roller, ball and tapered roller).
  • the component 100 in this case has a portion 110 which extends from a surface 120 of the component into an interior of the component 100.
  • the section 110 in this case has a steel, which is described in more detail below.
  • the section 110 further comprises a in Fig. 1 only schematically drawn edge zone 130, extending from the surface 120 of the component 100, starting in the interior of the component 100 extends into it.
  • a proportion of a chemical element of the steel measurably changes from its initial value, for example by at least 0.1 percent by weight.
  • the edge zone in the sectional plane shown there extends along three sides into the interior of the component 100.
  • the component 100 also has a further section 140 into which the edge zone 130 does not extend.
  • the exact course of the edge zone 130 may of course deviate from the course drawn in FIG. 1 in this case.
  • the further section 140 is likewise made of steel, ie if the component 100 is embodied in one piece or in one piece, the further section 140 may not have been exposed during case hardening or carbonitriding to the mostly gaseous medium used in this case. Especially in such a case, deviations in the contour of the edge zone 130 from the version shown in Fig. 1 can occur.
  • the component 100 may be made of a multi-cell or multi-piece.
  • the further portion 140 may optionally already be connected to the portion 110 during case hardening or carbonitriding.
  • the sections For example, 110 and 140 may differ from one another in terms of their composition in such a way that the material of the further section 140 can not be changed by one of the aforementioned processes, but both sections 110, 140 are connected to one another in a material-locking manner, that is to say at the molecular level. If necessary, however, the two sections can also be used with the help of other z.
  • positive and / or non-positive connection techniques eg., Screwing, jamming, shrinking, etc.
  • the component 100 to be machined is exposed at elevated temperature to a medium which releases carbon (C) and optionally nitrogen (N) to the component 100 or the steel enclosed in it.
  • C carbon
  • N nitrogen
  • both solid, liquid and gaseous media can be used as the medium, with gaseous media generally being used in today's technology.
  • carbon monoxide gas (CO gas) is often used in case hardening, with the carbonitriding medium often comprising a hydrocarbon mixture (CH x gas) and ammonia (NH 3 ).
  • the temperatures used here are in the range between about 750 ° C and 1100 ° C and 1200 ° C.
  • Both the delivery and replacement of the carbon with the component and the delivery of the nitrogen to the component 100 during its manufacture is a thermally activated process. This means that the process is increasing Temperature and more effective with a longer process duration. The same applies to the transformation of the microstructure of the steel associated with the hardening, as well as the migration or diffusion of the alloying elements and the other elements mentioned (in particular carbon and nitrogen).
  • the process temperatures compared to conventional steels can be significantly increased.
  • tantalum at 0.5 weight percent may be added to the steel as another alloying element
  • the temperatures used in case hardening or carbonitriding may be shifted to significantly higher values.
  • Cr chromium content
  • Case hardening and carbonitriding process times typically vary between a few tens of seconds to several days, for example between 1 to 4 hours or even up to 70 hours and above.
  • the exact process parameters can be determined numerically, for example.
  • the software "SimCarb" can be used for this, as described in the publications HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 53, HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 115 and HTM J. Heat Treatm., Mat. 64 (2009), 186.
  • this steel As a material, it may, for example, also be possible to achieve carburizing or case-hardening depths of more than 5 mm, thereby rendering the structure more grain-stable during carburizing and hardening Depending on the specific composition of a steel according to an exemplary embodiment of the present invention, case hardening depths of 10 mm and optionally above this can be achieved.
  • embodiments are not limited to such components having a case hardening depth of at least 5 mm. It is also possible, according to embodiments of the present invention, to realize components having lower or greater case hardening depths, for example of at least 100 ⁇ m, at least 1 mm or at least one of the further possible case hardening depths mentioned here within the scope of the present description. Likewise, however, through-hardened components 100 can also be produced according to an exemplary embodiment.
  • embodiments of the present invention make it possible to increase the temperatures used in a heat treatment and thus to reduce the aforementioned risk of coarse grain formation.
  • the temperature desired for conventional carbon case hardening or carbon-nitrogen case hardening may be increased to within the range above 1000 ° C.
  • an alloy or a micro-alloy is called an alloy or a micro-alloy.
  • the proportion of alloy material is in a range that is typically unspecified. Regardless of this, however, in the context of the present description, the term alloying is understood to mean both that of microalloying and of alloying.
  • the steel may further comprise, as an additional alloying element, a proportion by weight of between 0.1 and 5 percent by weight of molybdenum (Mo), nickel (Ni), silicon (Si), manganese (Mn) or chromium (Cr).
  • Mo molybdenum
  • Ni nickel
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • Cr chromium
  • the weight fraction for this alloying element is often in the range between 0.8% and 1.5% by weight.
  • steel according to an embodiment of the present invention may be produced based on 50CrMo4 or 43CrMo4 as a base alloy. Further examples are steels according to embodiments of the present invention based on 50CrV4. As some of these base alloys also show, in the case of embodiments, a plurality of the aforementioned alloying elements can also be used.
  • the proportion by weight of tantalum (Ta) is frequently at least 1 times, at least 5 times, at least 10 times, at least 20 times, at least 50 times, or at least 100 times. times the weight fraction of niobium (Nb).
  • Nb niobium
  • tantalum (Ta) may lead to better hardenability of the steel than niobium (Nb).
  • niobium does not appear to have any seriously negative effects, the studies indicate that tantalum niobium could lead to better hardenability compared to niobium.
  • tantalum carbide TaC
  • TaC tantalum carbide
  • Nb niobium
  • chromium it may be advisable, in embodiments, to limit the chromium content to a maximum of 5% by weight, to a maximum of 3.8% by weight or to a maximum of 2.1% by weight. Thus, if appropriate, a competitive situation in the formation of carbides or other carbon-containing compounds, complexes or deposits between tantalum and chromium can be prevented. It may also be advisable to add molybdenum (Mo) by weight up to 0.6% by weight.
  • a steel is a material whose mass fraction of iron (Fe) is greater than that of any other element whose carbon content is generally less than 2% by weight. is and can contain other elements.
  • a steel, as it can be used in a component 100 according to an embodiment, can be designed as a bearing steel, as defined for example in ISO 683-17: 1999.
  • Such a steel based on a 43CrMo4-based alloy according to one exemplary embodiment can achieve, for example, one or more hardness values.
  • chen as listed in Table 1 reproduced below.
  • Table 1 compares a minimum HRC value (HRCmin) for a typical steel alloy and a maximum HRC value (HRCmax) for a typical steel alloy as a function of a distance d from a quenched face in mm.
  • the hardenability can be measured by Jominy forehead quenching tests at different face distances.
  • HRC values are given here according to Rockwell according to the HRC scale. Depending on the exact alloy composition, deviating HRC values may also be achievable. Thus, based on the abovementioned base alloy 43CrMo4, HRC values which are above or below the stated minimum and / or maximum HRC values HRCmax and HRCmin, respectively, may also be achievable.
  • hardnesses starting at about 40 HRC in the case of a carbon steel content of 0.25 wt .-% to almost 70 HRC in a steel having a carbon content of 0.6 wt .-% or higher can be achieved.
  • grain size and grain boundaries In the case of steels, the size or grain boundaries of, optionally former, austenite grains are referred to as grain size and grain boundaries.
  • exemplary embodiments of steels can be quantified using, for example, the measurement methods defined in the standards ASTM E45 (Edition 2011) and ISO 4967 (Issuing date 1998-10) and DIN 50602: 1985. Even with these methods, cuts are made and compared in a 100: 1 magnification with standard images. Embodiments may be provided according to the following microstructural classes or better. Table 3 shows nonmetallic inclusions according to ASTM E45 (2011 edition) and ISO 4967 (1998-10 edition), which can achieve exemplary embodiments.
  • Table 4 shows non-metallic inclusions according to DIN 50602: 1985, which can achieve embodiments. In this case, bar diameter d in mm is compared with characteristic cumulative K values. Table 4:
  • These steels can be produced, for example, in a process comprising two steps which can be carried out simultaneously or sequentially.
  • a base alloy of the steel is provided, which is then alloyed in a second step with the first and the second alloying element.
  • the step of providing the base alloy may include providing pig iron in a blast furnace route, but also by other methods.
  • the pig iron can then be processed to steel in the course of a blowing process (eg LD process or Linz-Donawitz process) or a fresh-hearth process (eg Siemens-Martin process).
  • a blowing process eg LD process or Linz-Donawitz process
  • a fresh-hearth process eg Siemens-Martin process
  • the provision of the base alloy may further comprise refining resulting in an adjustment (generally a decrease) in the content of elements such as silicon (Si), manganese (Mn), sulfur (S), or even phosphorus (P) ,
  • the properties of the base alloy produced in this way can optionally be further changed.
  • Examples include aluminum, (Al), vanadium (V), chromium (Cr), calcium (Ca), silicon (Si), niobium (Nb), titanium (Ti), nickel (Ni), and molybdenum (Mo).
  • deoxidation can be achieved by adding aluminum (AI), silicon (Si), calcium (Ca) or calcium compounds.
  • the second step of alloying with the alloying elements they can then be added to the base alloy in metallic or chemically bonded form.
  • the step of alloying with the alloying elements in this case is a typical step of secondary metallurgy, which can be performed, for example, in a Pfannenofenver after refining.
  • optionally further alloying elements can be added, as far as this is still necessary or desired.
  • chromium, tantalum and molybdenum can have a corrosion-inhibiting effect.
  • the step of alloying with the alloying elements takes place here at a temperature of less than 1600 ° C, where appropriate, the temperature can be limited to values of below 1550 ° C or below 1500 ° C.
  • further process steps may be included, such as degassing by vacuum degassing or by other methods. This can optionally be followed by further mechanical, thermal or other further processing steps, such as rolling of the steel.
  • Fig. 2 shows a cross section through a tapered roller bearing 200 for a large-scale plant, such as a wind turbine, a tidal power plant, rolling mill or a construction machine.
  • the tapered roller bearing 200 comprises an outer ring 210 and an inner ring 220, which are shown in Fig. 2 with respect to a line of symmetry 230, wherein the line of symmetry 230 coincides with the axis of the tapered roller bearing 200.
  • a plurality of frusto-conical rolling elements 240 are arranged, which are guided by an optional cage 250.
  • the rolling elements 240 By a relative movement of the inner ring 220 to the outer ring 210, the rolling elements 240 roll on a running surface 260 of the inner ring 220 and a running surface 270 of the outer ring 210.
  • the tapered roller bearing 200 has guide rims.
  • the inner ring thus comprises a first board 280 and a second board 290, while the outer ring shown here has no lateral guide rims.
  • the outer ring 210 and the inner ring 220 both each represent components according to embodiments of the present invention, as it has already been shown as a component 100 in FIG. 1. They are in this case made entirely of steel, thus differing from the component 100 shown in FIG. 1, for example, in that the component shown there at least only in sections has a corresponding steel.
  • the component 100-1, that is to say the outer ring 210, and the component 100-2, that is to say the inner ring 220 respectively coincide with their corresponding sections 110-1 and 110-2 of the components 100.
  • the outer ring 210 and the inner ring 220 accordingly each have an edge zone 130-1 or 130-2, which respectively lie directly below the surfaces 120-1 and 120-2 of the two components 110.
  • the proportion of a chemical element measurable so for example by at least 0.1 wt .-%. If, for example, the two components 100 are subjected to case hardening as part of their production, the proportion of the carbon (C) changes in the edge zones 130-1 and 130-2, as will be described in more detail in connection with FIGS. 3 and 4.
  • the case hardening depth may here be at least 5 mm, for example.
  • a lower hardening range of 10 mm or more can be produced, which counteracts premature fatigue, especially in the case of heavily loaded components, such as the rolling bearing rings of large machines, and also for higher machining allowances for large rolling bearing rings (eg due to distortion ).
  • Case hardening depths in the extent described often very desirable for various reasons.
  • Steels that are used in embodiments of the present invention are so curable that they can be made high-strength at least in sections in the edge zone 130. They are therefore suitable as steels for rolling bearings and for other applications in which the components made from them are subjected to strong dynamic and / or static loads.
  • Rolling bearings are typically cyclic and / or static compressive, with the improved hardenability and grain stability counteracting fatigue, spontaneous failure and wear.
  • the lack of critical tensile stresses and the high hydrostatic pressure in Hertzian contact cause the hardened steel to flow microplastically and lead to a fatigue life which is orders of magnitude greater than that of comparable cyclic tensile, compressive or circumferential bending stress (rolling fatigue fatigue).
  • Case hardening typically includes the sub-steps of carburizing, quenching and tempering.
  • the products are characterized by high hardness, strength
  • yield strength and tear-resistant residual compressive stresses in the claimed surface layer as well as good core toughness and thus increased security against splitting fracture and impact load.
  • the method is particularly used for mechanical, by material fatigue or wear, heavily stressed components that need to absorb additional shock loads. These include tools, gears and Gears, bearings, drive, cam and crankshaft shafts, spindles, spindles, pistons, bolts, screws and steel cages. Under certain load or operating conditions, a higher residual austenite content in the edge zone 130 can have a favorable effect on the service life.
  • thermochemical carbon enrichment of the near-surface edge zone 130 is effected by diffusion, which is introduced industrially predominantly from the gas phase.
  • the inert gas-controllable, oxygen-containing hydrocarbon mixtures are often called fast because of the achievable carburization rates (carbon numbers).
  • the process temperatures are conventionally between 850 ° C and 980 ° C, but may also be significantly higher for steels, as used in the context of components 100 according to embodiments.
  • the components 100 are in this case first, z. B. in a protective atmosphere, heated.
  • conventional isothermal normal pressure gas carburizing consists of only two process steps: the saturation and the equalization stage.
  • industrial plants provide comparable carbon numbers in both phases.
  • the respective shares in the total duration of treatment are roughly 80% and 20%.
  • carbon levels of 0.8 to 1.3 wt% are used for the carbon. This value is as close as possible to the carbide or soot limit of the steel or plant used.
  • the carbon uptake in the edge zone 130 is thereby maximally accelerated.
  • the subsequent compensation or diffusion phase of such a two-stage process for smoothing the steep, near-surface concentration gradient takes place at a reduced carbon level between 0.55 and 0.95% by weight.
  • the desired marginal carbon content is often between 0.6 and 0.85 wt .-%>.
  • Surface hardnesses of about 58 to 65 HRC should be achieved.
  • Suitable quenchers with different intensity and cooling rate are water, which often causes a strong distortion and increased risk of cracking, or surfactant mixtures, hardness emulsions, oils, molten salts or cooling gases, for example helium (He), which is injected under high pressure with up to 40 bar.
  • helium He
  • Firing is typically carried out at 150 to 200 ° C for 2 to 4 hours.
  • the most important process targets for carburizing and hardening are the carburizing and case hardening depths, which are usually between 0.05 mm for precision engineering and 10 mm and above, for example. B. for large gears or bearings and heavy machinery. Technically, values between 0.5 and 4 mm are usually required.
  • the marginal carbon content and the surface hardness are sometimes important parameters.
  • application-related setpoint limits can be defined or specific profile shapes required, for example, in the outer workpiece area.
  • Components 100 according to one exemplary embodiment can be produced, for example, with nitrogen-diluted methanol cracking gas as the carrier gas, with a comparatively low overpressure of 6 mbar also being used for safety reasons. Added natural gas can then serve as carbon donor, with a C-current probe can be used to monitor the process parameters.
  • the carbon content has essentially a first constant value before it decreases and strives for a second value c 0 (C) inside the workpiece.
  • the first value of the carbon content c (C) is above the second value c 0 (C), which in the considerably corresponds to the carbon content of the steel before case hardening.
  • FIG. 3 further shows a dotted line 320 separating the edge zone 130 of the component 100 from the remainder of the component 100 and the portion 110 (not shown in FIG. 3) upon reaching the core composition of the steel.
  • the hardness curve 310 shows a similar behavior as the curve 300 of the carbon content c (C). Again, starting from the surface 120, the latter, too, essentially has a constant value, which in a transition region falls to a second value H0 which corresponds to the hardness in the interior of the component 100.
  • the hardness curve 310 in this case essentially follows that of the carbon fraction 300. Between the two, as is also shown in FIG. 3, certain deviations frequently occur in reality, which may be due, for example, to a lack of hardenability of the steel.
  • the hardness can be specified, for example, according to Rockwell according to the HRC scale, possibly after revaluation. Depending on the steel used in accordance with embodiments of the present invention, hardnesses starting from about 40 HRC in the case of a steel having a carbon content of 0.25 wt .-% up to almost 70 HRC in a steel with a carbon content of 0.6 wt. -% or above.
  • the hardenability can be determined by Jominy forehead quenching tests at different face distances.
  • the resulting hardness is determined predominantly by the carbon content.
  • the other alloying metals improve the hardenability (hardening acceptance) and prevent excessive grain growth, whereby even a small, above-mentioned proportion of the alloying element acts grain-stabilizing. This also applies to higher shares.
  • a suitable optional alloying with other alloying elements for example with molybdenum (Mo), nickel (Ni), silicon (Si), manganese (Mn) or chromium (Cr), the grain growth in the heat treatment (further) is hindered.
  • Typical contents of these alloying elements are between 0.1 and 5 wt .-%.
  • the Auikohlungstiefe can according to DIN EN 10052: and defined in the usual manner as a vertical surface distance for a concentration of 0.35 wt .-% of carbon (C) are denoted by Ato, 3 5 1994-01 (terms of the heat treatment of ferrous materials).
  • C carbon
  • the choice of said carbon content is based on the assumption that completely martensitic microstructure at this point has a limit of 550 HV 1, corresponding to about 52.5 HRC, the case hardening depth CHD (Case Hardening Depth, in German-language literature often Eht) according to DIN EN ISO 2639: 2003-04 (Steel - Determination and testing of case hardening depth).
  • other predetermined carbon levels can be used to define a depth of carbonization. These can be distinguished by appropriately modified subscripts in the symbol (eg At 0i32 ).
  • courses 300, 310 as shown in FIG. 3 may be after a 70 hour carburization, a cool in a salt bath at 320 ° C., an anneal for 20 hours to reduce hydrogen in the steel, and then austenitize under shielding gas at 805 ° C for 70 minutes, at which the change in the carbon distribution is often negligible (simple hardening).
  • a quenching agent can be used heated to 100 ° C hardness oil.
  • the component 100 may thereafter, for example, cool for several minutes in air.
  • the carbon content may be above 0.6 wt%. Hardness values above 60 HRC are possible with these concentrations. Similarly, case hardening depths CHD of, for example, 6.4 to more than 10 mm can be achieved.
  • the course of the nitrogen component 330 has an at least similar course to the course of the carbon component 300 from FIG. 3, although the change from a first value present on the surface 120 of the component 100 to a second value c 0 (N) in the interior of the component takes place at a significantly shorter distance.
  • Typical nitrogen contents can thus at the surface in the region of a few tenths to a few percent by weight, often of several tenths of a weight percent, are as 0 (N) is located in the interior of the component, the value c more in the range of some 10 to some 100 ppm.
  • the carbon content 300 (c (C)) has a slightly reduced value compared to a maximum value.
  • the nitrogen at the surface 120 causes, due to diffusion processes, a change in the carbon content at the surface compared to a carburizing without a simultaneous nitrogen enrichment, and thus a varying nitrogen content in the surface layer.
  • carbon leakage occurs through diffusion from the surface 120 of the component, which, however, is compensated by at least partial uptake from the carbon emitting medium.
  • the medium thus acts as an "effusion barrier" with respect to the carbon, in that carbon emanating from the surface 120 due to the process temperatures can be replaced by carbon from the medium.
  • the carbon content 300 (c (C)) has a local maximum in about a range where the nitrogen content 330 has fallen to a value at which the influence of diffusion processes has become less important , Depending on the specific course of the involved shares 300, 330, this can take place, for example, in the region of the largest change in the nitrogen content 330.
  • the profile 300 of the carbon component c (C), which already has a value in the area of the surface 120, that is to say at d 0, which is approximately in the region of the value c 0 (C) in the interior of the component in the steel used here, a hardening steel with a carbon content of about 1 wt .-%, for example based on the steel 100Cr6. Since, despite the described change in the carbon content c (C) in the region of the edge zone 130, this typically is not below a value of about 0.8% by weight, however, this change in the carbon content c (C) scarcely results in a change in the hardness history 300 (H). This is therefore essentially constant.
  • the carbon-releasing medium in carbonitriding can be chosen so that the uniform starting carbon content of a hardening steel used is changed as little as possible.
  • the local maximum of the carbon fraction 300 (c (FIG. C)) approximately at the Carbonitrieriana.
  • the change in nitrogen content c (N) occurs at a much smaller length scale than the typical carburizing depth At xx on.
  • the point of maximum change in the profile of the nitrogen content 330 substantially coincides with the carbonitride depth.
  • microalloyed grain-stable steels makes it possible to increase the time and / or increase the temperature of the carbonitriding, so that even deeper zones of influence CNt yy can be achieved by 1 mm or more with suitable insertion of the material.
  • the carbon content on the surface 120 has a first value that increases to a higher second value, namely, the value of the local maximum, and then drops to a third value that is inside the component 100 and approximately equal to the original carbon concentration.
  • the medium also serves as a source of nitrogen. It is therefore also in such a process in the peripheral zone 130 to a change in the nitrogen content c (N) and also to a measurable change in the carbon content c (C).
  • a non-hardening steel is typically such a steel, which has a carbon content of at most 0.6 wt .-% before the case hardening and / or the carbon-nitrogen case hardening, usually at most 0.3 wt .-%, while a through-hardening Steel is one in which, typically before carbonitriding, the carbon content is at least 0.6% by weight.
  • the inner ring 210 shown in FIG. 2 and the outer ring 220 of a single-row tapered roller bearing 200 have hitherto been described. Embodiments of the present invention are, however, by no means limited thereto.
  • rolling elements inter alia, a cylindrical roller, ball and tapered roller
  • other components to be hardened Wälzlager- components include the embodiments also other types of
  • Rolling bearings such as cylindrical roller bearings, roller bearings, ball bearings, four-point bearings and needle bearings as well as plain bearings, intermediate rings and other construction and machine parts of the rotary and linear bearing technology.
  • components of other disciplines of vehicle and mechanical engineering can be implemented as embodiments of the present invention become. In principle, this includes all components which have at least one region which is subjected to an increased load.
  • components according to embodiments can be made completely or partially, that is, in sections, from steel.
  • embodiments in this regard are not limited to a complete embodiment of a material.
  • examples of these are composite components which have a correspondingly shaped section in which steel according to an embodiment of the present invention is implanted together with a corresponding edge hardening region.
  • Other areas of the component in question can be made, for example, from another metal, another alloy or another steel.
  • a connection can be made in these cases, for example, cohesively in the form of a soldered or welded connection.
  • other connection methods are also conceivable here, for example a non-positive or positive connection or also an adhesive as another form of the integral connection.
  • the component or its section comprising the steel may optionally comprise further materials.
  • a component can also be made entirely or in a corresponding section of a material which comprises the steel.
  • a material may comprise, for example, a fiber reinforced steel or other hybrid material combination using steel according to one embodiment.
  • a steel as it can be used in the context of an embodiment, may be a bearing steel.
  • exemplary embodiments of the present invention include wind and tidal power plants as well as generators, construction machinery, cranes, excavators, vans, trains, marine propulsion, aircraft, rolling mills and other machinery.
  • wind and tidal power plants as well as generators, construction machinery, cranes, excavators, vans, trains, marine propulsion, aircraft, rolling mills and other machinery.
  • Micro-alloyed grain stable steels for case hardening or carbonitriding according to embodiments of the present invention, as well as corresponding components, are therefore applicable in a wide field of applications.
  • a component 100 according to an exemplary embodiment can thus have a smaller grain size after a heat treatment during its production.

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Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils (100) umfasst wenigstens einen Abschnitt (110), der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt (110) von einer Oberfläche (120) des Bauteils (100) in ein Inneres des Bauteils (100) erstreckt, und eine Randzone (130) in dem Abschnitt (110), die sich unmittelbar an die Oberfläche (120) des Bauteils (100) anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert. Der Stahl in der Randzone (130) weist wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) auf, wobei der Stahl einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt, und wobei der Stahl ferner Tantal mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist. Ein solches Bauteil (100) kann so eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweisen.

Description

B e s c h r e i b u n g
WÄLZ LAGERKOMPONENTE Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Bauteil, beispielweise auf eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, wie etwa einer Windturbine oder eines Industriegetriebes.
Bei vielen Maschinen und Anlagen treten hohe mechanische Belastungen in unterschiedli- chen Formen und Ausprägungen auf. Häufig, aber bei Weitem nicht ausschließlich, sind hier gerade Bauteile betroffen, die zueinander Relativbewegungen ausführen, also beispielsweise translatorische oder rotatorische Bewegungen. Hierbei können neben Dauerbelastungen auch kurzzeitige und/oder lokale Belastungen auftreten, die zu Werkstoffermü- dung oder einer statischen Überbeanspruchung der betreffenden Bauteile führen können.
Gerade für solche Bauteile (z. B. Maschinenteile) findet Stahl aufgrund seiner weitreichenden Konfektionierbarkeit, seiner Festigkeit, seiner Verformbarkeit, seiner Schweißeignung und vieler anderer Eigenschaften Anwendung. Zu den wichtigen technologischen Eigenschaften zählt auch, dass Stahl vollständig oder auch teilweise gehärtet oder mit Hilfe anderer Verfahren oberflächenbehandelt werden kann. Wird beispielsweise nur eine Randschichthärtung oder Oberflächenhärtung durchgeführt, wird so die entsprechend behandelte Randschicht oder Oberfläche härter und daher mechanisch und tribo logisch widerstandsfähiger, während tiefer liegende Bereiche des Bauteils eine geringere Härte und daher eine größere Zähigkeit aufweisen, wodurch das Bauteil insgesamt zyklisch und statisch höher belastbarer wird. Dynamische Belastungen werden häufig über die Oberfläche der Bauteile in diese eingeleitet, wirken also gerade auf die typischerweise gehärteten Bereiche stark ein. Durch diese Spannungen können Versetzungsbewegungen im Material hervorgerufen werden, die letztendlich zu plastischen Verformungen im Inneren des Bauteils führen können. Die damit verbundene Beanspruchung des Bereichs von Korngrenzen im Gefüge von Stahl kann bei anfälligem Werkstoffzustand zu einem interkristallinen Bruch vor Erreichen der Festigkeit im Volumen führen.
Um Komgrenzenversagen entgegenzuwirken, werden bevorzugt Stähle eingesetzt, die über eine große Anzahl von Korngrenzen verfügen, also kleine Kristalle im Gefüge aufweisen, da hierdurch die mechanischen Belastungen und Belegung (Segregation) mit schwächenden Elementen (z. B. Phosphor, Schwefel) oder auch Verbindungen (z. B. Karbide) auf eine größere Anzahl und damit Fläche von Korngrenzen verteilt werden und die Beanspruchung der einzelnen Korngrenzen abnimmt.
Die Härtung des Stahls erfolgt typischerweise thermisch, wobei der Stahl des Bauteils wenigstens teilweise entsprechend stark erhitzt wird. Zu den hier beispielsweise eingesetzten Verfahren zählen das martensitische oder bainitische Durchhärten und das Induktionshärten.
Zu den thermochemischen Verfahren, mit deren Hilfe die Randschicht des Stahls chemisch modifiziert werden kann, zählen Verfahren, mit deren Hilfe eine Gefügestabilität des Stahls verbessert werden kann. Zu diesem Zweck können beispielsweise im Rahmen des Carbonitrierens oder Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten eines Stahls Kohlenstoff und Stickstoff in diesen eingebracht werden, wobei der Stahl im Rahmen dieses Verfahrens ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Hierbei besitzt der z. B. un- oder niedriglegierte Stahl, z. B. ein Einsatzstahl, typischerweise einen Kohlenstoffgehalt um 0,05 bis 0,3 Gew.-%. Die Behandlung eines durchhärtenden Stahls in einer Kohlenstoff und Stickstoff spendenden Atmosphäre, der typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1 Ge- wichtsprozent (Gew.-% oder %), wie etwa 100Cr6, seine Derivate und ähnliche Stähle, aufweist, wird häufig auch als Carbonitrieren bezeichnet. Das Carbonitrieren umfasst so sowohl das Stickstoffanreichern der Randschicht durchhärtender Stähle als auch eine Variante des Einsatzhärtens, das sogenannte Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten, auf Basis konventioneller einsatzhärtbarer Stähle, bei dem typischerweise Stähle mit einem Kohlenstoffanteil zwischen etwa 0,05 und 0,3 Gew.-% verwendet werden.
Diese Verfahren stellen thermische Prozesse dar, sodass bei diesen die Gefahr besteht, dass es oberhalb der Austenittemperatur des Stahls zu einer unerwünschten Erwärmung und damit zu einem Überhitzen des Gefüges kommen kann. Infolge dessen kann ein verstärktes Kornwachstum, also eine Grobkornbildung auftreten. Dies kann im späteren Einsatzgefüge zu einer verminderten Festigkeit durch eine Schwächung der Korngrenzen (z. B. durch Segregation, d. h. Anlagerung schädlicher Elemente), mit einer Tendenz zum interkristalli- nen Bruch führen.
Bisher werden hier konventionelle Stähle, beispielsweise konventionelle Einsatzstähle oder durchhärtende Wälzlagerstähle, verwendet. Bei der Prozessführung wird dann versucht, den Härtungsprozess derart zu führen, dass ein übermäßiges Kornwachstum vermieden wird.
Ausgehend hiervon besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Bauteil zu schaffen, das eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst wenigstens einen Abschnitt, der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche des Bauteils in ein In- neres des Bauteils erstreckt, und eine Randzone in dem Abschnitt, die sich unmittelbar an die Oberfläche des Bauteils anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert. Der Stahl in der Randzone weist hierbei wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) (ASTM = American Society for Testing Materials) auf, wo- bei der Stahl einen Chromanteil (Cr) aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt. Der Stahl weist ferner Tantal (Ta) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob (Nb) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan (Ti) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium (V) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent auf. Ausführungsbeispielen eines Bauteils liegt so die Erkenntnis zu Grunde, dass eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen der Herstellung des Bauteils dadurch erzielbar ist, dass dem Stahl des Bauteils ein Legierungselement zugefügt wird, wel- ches das Kornwachstum unterbindet, zumindest jedoch hemmt. Als wirksam haben sich in diesem Zusammenhang Tantal, Niob, Titan und Vanadium herausgestellt, die jedoch aufgrund einer unterschiedlichen Eignung zur Hemmung des Kornwachstums mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen in dem Stahl vorliegen. Der Chromanteil des Stahls sollte hierbei bei höchstens 7 Gewichtsprozent liegen, um eine Konkurrenz mit den oben genann- ten Legierungselementen in Bezug auf den ebenfalls in dem Stahl enthaltenen Kohlenstoff zu reduzieren. So besteht die Vermutung, dass die Bildung entsprechender Ausscheidungen, etwa von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden, auf Basis der entsprechenden Legierungselemente und entsprechender Mischkristalle, die hemmende Wirkung auf das Kornwachstum durch eine Stabilisierung der Korngrenzen wenigstens teilweise bewirkt.
So können mithilfe eines Einsatzhärtungsverfahrens oder eines Carbomtrierverfahrens Bauteile geschaffen werden, bei denen der Stahl in der Randzone wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM aufweist. Die Wärmebehandlung bewirkt hierbei in der Randzone eine messbare Änderung eines chemischen Elements des Stahls. Der Werkstoff des Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel wird so durch ein Legieren bzw. Mikrolegieren mit den genannten Legierungselementen weniger anfällig für Kornwachstum und Grobkornbildung beim Aufkohlen bzw. Carbonitrieren und einem gegebenenfalls nachfolgenden Härten. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Änderung des Kohlenstoffanteils oder auch um eine Änderung des Stickstoffanteils handeln. So kann beispielsweise im Rahmen des Einsatzhärtungsverfahrens oder im Rahmen des Carbomtrierverfahrens aufgrund eines von der Oberfläche her auf das Bauteil einwirkenden Mediums Kohlenstoff und/oder Stickstoff an das Bauteil abgeben bzw. mit diesem ausgetauscht werden. Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich so in der Randzone der Anteil des chemischen Elements um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent ändern. Bei anderen Ausführungsbeispielen eines Bauteils können jedoch bereits geringere Änderungen des Anteils des chemischen Elements an dem Stahl messbar sein. So sind typischerweise für Stickstoff bereits Änderungen des Anteils ab etwa 10 ppm (engl. Parts Per Million, Teile von einer Million), für Kohlenstoff im Bereich ab etwa 0,01 Gewichtsprozent nachweisbar und messbar. In unbehandeltem Stahl liegt beispielsweise der Stickstoffanteil im Bereich einiger 10 bis einiger 100 ppm. Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es so möglich sein, dass der Stahl in der Randzone im Wesentlichen vollständig ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM aufweist. Die Randzone umfasst hierbei die Zone, in der sich - ausgehend von der Oberfläche des Bauteils - durch das Herstellungsverfahren des Bauteils eine Änderung der chemischen Zusammensetzung des Stahls ergibt. Diese erstreckt sich typischerweise wenigstens 0,1 Millimeter in das Bauteil hinein, bevorzugt wenigstens 1 mm oder bis zu mehr als 10 mm. So ändert sich beispielsweise im Rahmen des Einsatzhärtens in der Randzone der Kohlenstoffanteil des Stahls messbar und für die Materialeigenschaften des Stahls in erheblichem Maße. Im Falle des Carbonitrierens ändert sich in der Randzone ferner der Stickstoffanteil, wobei - je nach Ausgangszusam- mensetzung des Stahls - sich lokal eine Erhöhung, ein Maximum oder auch eine zumindest abschnittsweise Reduzierung des Kohlenstoffanteils ausbilden kann. So können grundsätzlich, beispielsweise bei sehr dünnen Bauteilen, die Randzone und der Abschnitt des Bauteils, der den Stahl umfasst bzw. aus diesem besteht, identisch sein. Sind sie nicht identisch, liegt in einem Teil des Abschnitts des Bauteils, der nicht der Randzone angehört, der Stahl im Wesentlichen in seiner ursprünglichen chemischen Zusammensetzung vor dem Einsatzhärten oder Carbonitrieren vor.
Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel baut so auf einem (mikro-) legierten, kornstabilen Stahl für ein Wärmebehandlungsverfahren auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Einsatzhärten oder Carbonitrieren handeln kann. Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt daher häufig ein einsatzgehärtetes oder carbonitriertes Bauteil bzw. ein durch ein Einsatzhärten bzw. Carbonitrieren hergestelltes Bauteil dar.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gewichtsanteil des Tantals, des Niobs, des Titans oder des Vanadiums höchstens 2 Gewichtsprozent betragen. So verstärkt sich zwar tendenziell mit wachsendem Anteil eines der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium an dem Stahl auch die hemmende Wirkung im Hinblick auf das Kornwachstum, ein über einen Anteil von etwa 2 Gewichtsprozent hinausgehender Anteil kann jedoch zu weniger vorteilhaften Konkurrenzreaktionen führen. Durch den Einsatz der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium kann hierbei beispielsweise eine Erhöhung der zugänglichen Prozesstemperaturen auf über 1000 °C, beispielsweise auf bis zu 1150 °C, erzielt werden, die mit konventionellen Stählen häufig nur unter Inkaufnahme einer verstärkten Grobkornbildung erzielbar sind.
Bei Ausführungsbeispielen eines Bauteils kann andererseits bei dem entsprechenden Stahl mit einem Niobanteil (Nb) der Anteil des Tantals (Ta) wenigstens das 1 -fache, wenigstens das 5-fache, wenigstens das 10-fache, wenigstens das 20-fache, wenigstens das 50-fache oder wenigstens das 100-fache des Anteils von Niob (Nb) betragen. In diesen Verhältnis- sen der Massen von Niob (Nb) und Tantal (Ta) kommt zum Ausdruck, dass Niob sehr häufig als Kontamination bzw. zusätzliches Element von Tantal auftritt. Anders ausgedrückt kann bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Stahl gegebenenfalls Tantal mit einem (Gewichts-) Anteil aufweisen, der größer als der 1 -fache, 5-fache, der 10-fache, der 20-fache, der 50-fache oder der 100-fache (Gewichts-) Anteil von Niob ist.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Chromanteil höchstens 5 Gewichtsprozent betragen. Hierdurch kann es möglich sein, Konkurrenzreaktionen der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium mit dem Kohlenstoff des Stahls, gegebenenfalls mit Stickstoff oder anderen chemischen Elementen oder Verbindungen zu reduzieren, die in Konkurrenz zu diesen Legierungselementen und ihrer stabilisierenden Wirkung auf die Korngröße stehen können. In den genannten Grenzen kann Chrom jedoch die Härtbarkeit des Stahls unterstützen oder verbessern.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl ferner ein Legie- rungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweisen, wobei es sich bei dem Legierungselement um Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) handelt. Der Einsatz dieser Elemente als (zusätzliches) Legierungselement kann zu einer weiteren Verbesserung der Kornstabilität, der statischen Festigkeit und/oder der Härtbarkeit bei der Wärmebehandlung des Stahls führen, sodass ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Oberfläche in der Randzone bis zu einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm eine Härte von wenigstens 52,5 HRC aufweisen kann, ohne dass hierbei eine verstärkte Grobkornbildung auftritt. Es kann so gegebenenfalls eine Ermüdungsresistenz und/oder eine statische Festigkeit des Werkstoffs verbessert werden. Dies kann gegebenenfalls durch eine Erhöhung des Anteils dieser (zusätzlichen) Legierungselemente weiter gesteigert werden. Es kann daher bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel sinnvoll sein, den Gewichtsanteil des (zusätzlichen) Legierungselements auf werte zwischen 1 und 5 Gewichtsprozent zu erhöhen. Ergänzend oder alternativ kann der Mangananteil desoxidierend und/oder der Molybdän- anteil die Anlassbeständigkeit verbessernd wirken.
Als Einsatzhärtungstiefe soll beim Einsatzhärten der senkrechte Abstand zur Oberfläche bis zum Erreichen einer Grenzhärte von 550 HV1 oder 52,5 HRC verstanden werden. Hierbei werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Angaben nomineller Ge- wichtsprozente bezüglich der einzelnen Anteile verwendet. Bei Stählen können aufgrund der produktionsbedingten Abläufe der Stahlherstellung Abweichungen von den nominellen Anteilen auftreten. Der Anteil eines Legierungselements oder einer anderen Komponente (z. B. Kohlenstoff) eines Stahls eines konkreten Ausführungsbeispiels kann also die nominellen Werte im Rahmen der üblichen Fertigungs- und Herstellungstoleranzen gegebenen- falls unter- oder überschreiten.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl so wenigstens abschnittsweise in der Randzone, optional auch im Wesentlichen vollständig in der Randzone und/oder in dem Abschnitt des Bauteils, eine Härte oder Härtbarkeit mit wenigstens einem Härtewert bei wenigstens einem Abstandswert von der Oberfläche aufweisen, wobei der wenigstens eine Härtewert in einem durch einen HRCmax-Wert und einem HRCmin-Wert gegebenen Intervall liegt, wobei die HRCmax- und HRCmin- Werte gegenüber den in Tabelle 2 angegebenen HRCmax- und HRCmin- Werten um bis zu 1 , 2 oder 3 HRC unter- oder überschritten werden dürfen.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl in der Randzone eine Aufkohlungstiefe von wenigstens 5 mm und/oder eine Carbonitriertiefe von wenigstens 0,1 mm aufweisen, wobei die Aufkohlungstiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Kohlenstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Kohlenstoffan- teil, beispielsweise 0,35 Gewichtsprozent, fällt, und wobei die Carbonitriertiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Stickstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Stickstoffanteil, beispielsweise 0,05 Gewichtsprozent, fällt. Grundsätzlich können die Werte des vorbestimmten Kohlenstoffanteils und des vorbestimmten Stick- stoffanteils beliebig festgelegt werden. Im Bereich des Kohlenstoffs ist die oben genannte Festlegung auf 0,35 Gewichtsprozent weit verbreitet. Für den vorbestimmten Stickstoffan- teil werden auch andere Werte verwendet. So kann der vorbestimmte Stickstoffanteil beispielsweise auch 0,5 Gewichtsprozent, 0,35 Gewichtsprozent, 0,25 Gewichtsprozent, 0,2 Gewichtsprozent, 0,15 Gewichtsprozent oder 0,1 Gewichtsprozent betragen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Carbonitriertiefe auch bei wenigstens 0,4 mm, wenigstens 0,5 mm oder wenigstens 0,75 mm liegen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Aufkohlungstiefe und/oder die Carbonitriertiefe auch Werte von weniger als 5 mm bzw. weniger als 0,1 mm betragen. Ebenso können diese Tiefen jedoch auch größere Werte annehmen.
So kann bei einem Ausführungsbeispiel das Bauteil in der Randzone wenigstens abschnittsweise, gegebenenfalls aber auch durchgängig, einen Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,35 Gewichtsprozent und einen Härtewert von wenigstens 52,5 HRC aufweisen.
Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) aufweisen, die maximal den in Tabelle 3 definierten Werten entsprechen. Alternativ oder ergänzend kann der Stahl auch nichtmetallische Einschlüsse gemäß DIN 50602: 1985 aufwei- sen, die maximal den in Tabelle 4 definierten Werten entsprechen.
Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, beispielsweise einer Windkraftanlage, einer Gezeitenkraftanlage, eines Generators, einer Baumaschine, eines Trans- porters, eines Zugs, eines Walzwerks, eines Schiffsantriebs, einer Papiermaschine oder eines Flugzeugs sein.
Die Verwendung eines solchen Stahls bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so gegebenenfalls eine verbesserte Härtbarkeit und/oder eine verbesserte Kornstabili- tät und/oder statische Festigkeit ermöglichen, sodass eine Härtung mit einer größeren Einsatzhärtungstiefe von z. B. wenigstens 5 mm erzielt werden kann, ohne dass hierbei eine verstärkte Grobkornbildung einsetzt. Natürlich können bei anderen Ausführungsbeispielen auch geringere Einsatzhärtungstiefen erzielt werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager mit Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 3 illustriert einen Verlauf einer Härte und eines Kohlenstoffanteils entlang einer Linie senkrecht zu einer Oberfläche eines Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel, das durch einen Einsatzhärtprozess hergestellt wurde; und
Fig. 4 illustriert einen Verlauf einer Härte, eines Kohlenstoffanteils und eines Stickstoffanteils entlang einer Linie senkrecht zu einer Oberfläche eines Bauteils gemäß einem Aus- führungsbeispiel, das durch einen Carbonitrierprozess hergestellt wurde und auf Basis eines durchhärtbaren Stahls.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und andere Komponenten verwendet, wenn die betreffende Kompo- nente an sich oder mehrerer entsprechende Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels oder innerhalb mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Passagen der Beschreibung, die sich auf eine Komponente beziehen, sind daher auch auf andere Komponenten in anderen Ausführungsbeispielen übertragbar, soweit dies nicht explizit ausgeschlossen ist oder sich dies aus dem Zusammenhang ergibt. Werden einzelne Komponen- ten bezeichnet, werden individuelle Bezugszeichen verwendet, die auf den entsprechenden zusammenfassenden Bezugszeichen basieren. Bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen bezeichnen daher gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Komponenten, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auftreten, können hierbei bezüglich einiger ihrer technischen Parameter identisch und/oder unterschiedlich ausgeführt oder implementiert werden. Es ist so beispielsweise möglich, dass mehrere Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels bezüglich eines Parameters identisch, bezüglich eines anderen Parameters jedoch unterschiedlich ausgeführt sein können.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Bauteil 100 gemäß einem Ausführungs- beispiel. Bei dem Bauteil 100 kann es sich beispielsweise um eine Wälzlagerkomponente, also beispielsweise um einen Wälzlagerring (u. a. Außen- oder Innenring) oder auch um einen Wälzkörper (u. a. eine Zylinderrolle, Kugel und Kegelrolle) handeln. Das Bauteil 100 weist hierbei einen Abschnitt 110 auf, der sich von einer Oberfläche 120 des Bauteils in ein Inneres des Bauteils 100 erstreckt. Der Abschnitt 110 weist hierbei einen Stahl auf, der weiter unten näher beschrieben wird.
Durch ein Herstellungsverfahren, das beispielsweise ein Einsatzhärten oder eine Carbo- nitrieren umfassen kann, weist der Abschnitt 110 ferner eine in Fig. 1 nur schematisch eingezeichnete Randzone 130 auf, die sich von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 ausge- hend in das Innere des Bauteils 100 hinein erstreckt. In der Randzone ändert sich ein Anteil eines chemischen Elements des Stahls messbar gegenüber seinem Ausgangswert, beispielsweise um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Bauteil erstreckt sich die Randzone in der dort gezeigten Schnittebene entlang dreier Seiten in das Innere des Bauteils 100 hinein. So weist das Bauteil 100 ferner einen weiteren Abschnitt 140 auf, in den sich die Randzone 130 nicht hinein erstreckt. Der genaue Verlauf der Randzone 130 kann in diesem Fall von dem in Fig. 1 eingezeichneten Verlauf selbstverständlich abweichen. Ist der weitere Abschnitt 140 beispielsweise ebenfalls aus dem Stahl gefertigt, das Bauteil 100 also beispielsweise einstückig oder einteilig ausgebildet, kann der weitere Abschnitt 140 bei einem Einsatzhärten oder einem Carbonitrieren dem hierbei eingesetzten, meist gasförmigen Medium gegebenenfalls nicht ausgesetzt worden sein. Gerade in einem solchen Fall können Abweichungen hinsichtlich der Kontur der Randzone 130 von der in Fig. 1 dargestellten Fassung auftreten.
Ebenso kann das Bauteil 100 mehrzellig oder mehrstückig ausgeführt sein. In einem solchen Fall kann der weitere Abschnitt 140 gegebenenfalls während eines Einsatzhärtens o- der eines Carbonitrierens bereits mit dem Abschnitt 110 verbunden sein. Die Abschnitte 110 und 140 können sich so beispielsweise hinsichtlich ihrer Zusammensetzung derart voneinander unterscheiden, dass das Material des weiteren Abschnitts 140 nicht durch einen der vorgenannten Prozesse veränderbar ist, beide Abschnitte 110, 140 jedoch stoffschlüssig, also auf molekularer Ebene, miteinander verbunden sind. Gegebenenfalls kön- nen die beiden Abschnitte jedoch auch mit Hilfe anderer z. B. form- und/oder kraftschlüssige Verbindungstechniken (z. B. Verschraubung, Verklemmung, Aufschrumpfen, etc.) miteinander verbunden sein.
Bei vielen Anwendungen treten starke mechanische Beanspruchungen auf, die zu einer Werkstoffermüdung des betreffenden Bauteils führen. Häufig handelt es sich bei diesen Belastungen um kurzzeitig, intermittierend oder periodisch auftretende dynamische Belastungen, die häufig auch nur auf kleine Gebiete des Bauteils einwirken, also beispielsweise über einen punkt- oder linienförmigen Kontakt. Um die entsprechenden Bauteile resistenter gegen Ermüdungserscheinungen auszulegen, werden daher häufig gehärtete Stähle eingesetzt. Hier werden insbesondere Stähle bevorzugt, die geringe Korngrößen aufweisen, um auftretende mechanische Beanspruchungen auf eine große Anzahl von Körnern und schwächende Segregations- bzw. Ausscheidungsbelegungen zur Verminderung der Belegung (Flächendichte) auf eine große Anzahl und damit Fläche von Korngrenzen zu verteilen.
Beim Einsatzhärten wie auch beim Carbonitrieren wird das zu bearbeitende Bauteil 100 bei einer erhöhten Temperatur einem Medium ausgesetzt, das an das Bauteil 100 bzw. den in ihm umfassten Stahl Kohlenstoff (C) und gegebenenfalls Stickstoff (N) abgibt. Als Medi- um können hier grundsätzlich sowohl feste, flüssige wie auch gasförmige Medien zum Einsatz kommen, wobei in der heutigen Technik zumeist gasförmige Medien zum Einsatz kommen. So wird häufig beim Einsatzhärten Kohlenmonoxidgas (CO-Gas) verwendet, wobei beim Carbonitrieren das Medium häufig ein Kohlenwasserstoffgemisch (CHX-Gas) und Ammoniak (NH3) umfasst. Die verwendeten Temperaturen liegen hier im Bereich zwischen etwa 750°C und 1100°C bzw. 1200°C.
Sowohl bei der Abgabe an bzw. des Austauschs des Kohlenstoffs mit dem Bauteil als auch bei der Abgabe des Stickstoffs an das Bauteil 100 während seiner Herstellung handelt es sich um einen thermisch aktivierten Prozess. Dies bedeutet, dass der Prozess bei steigender Temperatur und mit längerer Prozessdauer effektiver abläuft. Gleiches gilt auch für die mit dem Härten verbundene Umwandlung des Gefüges des Stahls, sowie der Wanderung bzw. der Diffusion der Legierungselemente und der anderen genannten Elemente (insbesondere Kohlenstoff und Stickstoff).
Hierbei kann es jedoch leicht zu einem Überhitzen des Gefüges kommen, was wiederum zu der eingangs beschriebenen Grobkornbildung und damit häufig verbundenen materialschwächenden Korngrenzensegregationen und so zu einer Reduzierung der Ermüdungsresistenz und statischen Festigkeit des Werkstoffs und Bauteils führen kann.
Durch den Einsatz eines Stahls, der einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt, und der ferner eines der Legierungselemente Tantal (Ta) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob (Nb) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan (Ti) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium (V) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist, können so die Prozesstemperaturen gegenüber konventionellen Stählen deutlich gesteigert werden. Durch den Einsatz eines solchen Stahls ist es möglich, die Prozesstemperaturen auch in den Bereich von mehr als 1000°C bzw. 1100°C anzuheben, um in kürzerer Zeit eine ausreichende Härtung zu erzielen und trotzdem die Körner des Gefüges nicht zu stark wachsen zu lassen. So kann es möglich sein, in der Randzone 130 wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM zu erzielen, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird.
Wird beispielsweise ausgehend von einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,15 und 0,2 Gewichtsprozent und einem Chromanteil von weniger als 7 Gewichtsprozent, und gegebenenfalls von weniger als 5 Gewichtsprozent, dem Stahl als weiteres Legierungselement Tantal mit 0,5 Gewichtsprozent hinzugefügt, können bereits die beim Einsatzhärten oder Carbonitrieren eingesetzten Temperaturen gegebenenfalls zu deutlich höheren Werten verschoben werden. Hinsichtlich des Chromanteils (Cr) wird hierbei zur Zeit vermutet, dass dieser gegebenenfalls zu den anderen Legierungselementen in unerwünschte Konkurrenzreaktionen tritt und eine Bildung von Ausscheidungen, insbesondere in Form von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden, und/oder Mischkristallen zur Stabilisierung der Korngrenzen durch Verminderung der Korngrenzenbeweglichkeit erschwert. Dies trifft sowohl für das Einsatzhärten oder das Carbonitrieren, wie auch einen gegebenenfalls ergänzend durchgeführten Härtungsschritt zu. Die Prozessdauern für das Einsatzhärten und das Carbonitrieren variieren typischerweise zwischen einigen 10 Sekunden und mehreren Tagen, beispielsweise zwischen I i s und 4 h oder auch bis zu 70 h und darüber. Die genauen Prozessparameter können beispielsweise numerisch ermittelt werden. Hierfür kann beispielsweise die Software„SimCarb" angewandt werden, wie sie in den Veröffentlichungen HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 53, HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 115 und HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 186 beschrieben ist. Durch die Verwendung dieses Stahls als Werkstoff kann es beispielsweise auch möglich sein, Aufkohlungs- bzw. Einsatzhärtungstiefen von mehr als 5 mm zu erzielen und dabei das Gefüge während des Aufkohlens und Härtens kornstabiler zu halten, was beispielsweise im Wälzlagerbereich bei Großlagerringen, aber auch bei Wälzkörpern vorteilhaft sein kann. Je nach konkreter Zusammensetzung eines Stahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können so Einsatzhärtungstiefen von 10 mm und gegebenenfalls darüber erzielt werden.
Allerdings sind Ausführungsbeispiele nicht auf solche Bauteile mit einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm beschränkt. Es können gemäß Ausführungsbeispielen der vor- liegenden Erfindung ebenso Bauteile mit geringeren oder größeren Einsatzhärtungstiefen realisiert werden, also beispielsweise von wenigstens 100 μιη, wenigstens 1 mm oder von wenigstens einer der weiteren, hier im Rahmen der vorliegenden Beschreibung genannten möglichen Einsatzhärtungstiefen. Ebenso können aber auch durchgehärtete Bauteile 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt werden.
Selbstverständlich können durch eine Anpassung von Parametern, etwa der genauen Prozessbedingungen oder der Zusammensetzung des Stahls, andere Parameter positiv beein- flusst werden. So kann beispielsweise durch eine Anpassung des Drucks des gasförmigen Mediums, der eingesetzten Temperaturen und/oder eines Ausgangskohlenstoffanteils eine Verbesserung der induktiven Lötbarkeit des Stahls erzielt werden.
So ermöglichen es Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die bei einer Wärmebehandlung verwendeten Temperaturen zu erhöhen und so die zuvor genannte Gefahr der Grobkornbildung zu vermindern. Durch den Einsatz von Stählen gemäß Ausführungs- beispielen der vorliegenden Erfindung kann so gegebenenfalls die zum konventionellen Kohlenstoff-Einsatzhärten oder zum Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten gewünschte Temperatur in den Bereich oberhalb von 1000 °C erhöht werden. Je nach Menge des hinzulegierten Legierungsmaterials spricht man von einer Legierung oder auch einer Mikrolegierung. Im Bereich der so genannten Mikrolegierung liegt der Anteil des Legierungsmaterials (häufig ein Legierungsmetall) in einem Bereich, der typischerweise nicht spezifiziert wird. Unabhängig hiervon wird jedoch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff des Legierens sowohl der des Mikrolegierens wie auch der des Legierens verstanden.
Bei einem Bauteil 100 kann der Stahl als zusätzliches Legierungselement ferner mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) aufweisen. Hierdurch scheint es möglich zu sein, das Bauteil 100 höheren Temperaturen auszusetzen. So konnte beispielweise durch den Zusatz von etwa 1 Gew.-% Molybdän bei einer Probe und einer Probe ohne einen solchen Molybdänzusatz bei ansonsten identischen Prozessparametern ein feineres Gefüge erzielt werden. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt der Gewichtsanteil für dieses Legierungselement häufig im Bereich zwischen 0,8 Gew.-% und 1,5 Gew.-%. So kann beispielsweise Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf Basis von 50CrMo4 oder 43CrMo4 als Basislegierung erzeugt werden. Weitere Beispiele sind Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf Basis von 50CrV4. Wie diese Basislegierungen zum Teil also ebenfalls zeigen, kann bei Ausführungsbeispie- len auch eine Mehrzahl der vorgenannten Legierungselemente zum Einsatz kommen.
Häufig ist bei Stählen mit Niobanteil (Nb) der Gewichtsanteil des Tantals (Ta) wenigstens das 1 -fache, wenigstens das 5-fache, wenigstens das 10-fache, wenigstens das 20-fache, wenigstens das 50-fache oder wenigstens das 100-fache des Gewichtsanteils von Niob (Nb). In diesen Verhältnissen der Massen von Niob (Nb) und Tantal (Ta) kommt zum Ausdruck, dass Niob sehr häufig als Kontamination bzw. zusätzliches Element von Tantal auftritt. Gerade im Hinblick auf die Möglichkeit einer verbesserten Härtbarkeit und die damit möglichen positiven Auswirkungen auf den Stahl und die diesen umfassende Bautei- le deuten Untersuchungen darauf hin, dass Tantal (Ta) zu einer besseren Härtbarkeit des Stahls als Niob (Nb) führen kann. Auch wenn Niob scheinbar keine gravierend negativen Auswirkungen zeigt, deuten die Untersuchungen daraufhin, dass Tantal Niob gegenüber zu einer besseren Härtbarkeit führen könnte.
In diesem Zusammenhang wird die Möglichkeit erörtert, ob dies gegebenenfalls auf eine Bildung von Tantalkarbid (TaC) im Gefüge zurückzuführen sein könnte. So besteht zunächst das Bestreben, den Niobanteil im Vergleich zu dem Tantalanteil zu beschränken. Bei besonders hochwertigen Anwendungen kann daher auch ein Tantalanteil von wenigs- tens einem 120-fachen, wenigstens einem 150-fachen oder wenigstens einem 200-fachen des Niobanteils entsprechen, wobei diese Verhältnisse bereits nahe an der Grenze der technischen Separationsmöglichkeit der beiden Elemente liegen. Aufgrund der scheinbar nicht stark nachteiligen Wirkung des Niobs (Nb) kann es daher aus ökonomischen und beschaffungstechnischen Gründen, sowie aus Gründen der eigentlichen Stahlherstellung geeigne- ter sein, einen gewissen Niobanteil zu tolerieren, um den Prozess der Stahlherstellung zu vereinfachen und/oder technisch stabiler zu halten.
Im Hinblick auf Chrom (Cr) kann es gegebenenfalls ratsam sein, bei Ausführungsbeispielen den Chromanteil auf maximal 5 Gewichtsprozent, auf maximal 3,8 Gewichtsprozent oder auf maximal 2,1 Gewichtsprozent zu begrenzen. So kann hierdurch gegebenenfalls eine Konkurrenzsituation bei der Bildung von Karbiden oder anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen, Komplexen oder Anlagerungen zwischen Tantal und Chrom unterbunden werden. Auch kann es ratsam sein, Molybdän (Mo) mit einem Gewichtsanteil von bis zu 0,6 Gewichtsprozent beizufügen.
Lediglich der Vollständigkeit halber bietet es sich an dieser Stelle an, daraufhinzuweisen, dass unter einem Stahl ein Werkstoff zu verstehen ist, dessen Massenanteil an Eisen (Fe) größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% ist und andere Elemente enthalten kann.
Ein Stahl, wie er bei einem Bauteil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommen kann, kann als Wälzlagerstahl ausgeführt sein, wie er beispielsweise in der ISO 683-17: 1999 definiert ist. Ein solcher Stahl auf Basis einer 43CrMo4-Basislegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise einen oder mehrere Härtewerte errei- chen, wie sie in nachfolgend wiedergegebener Tabelle 1 aufgeführt sind. Tabelle 1 stellt hierbei einen für eine typische Stahllegierung minimalen HRC-Wert (HRCmin) und einen für eine typische Stahllegierung maximalen HRC-Wert (HRCmax) in Abhängigkeit eines Abstands d von einer abgeschreckten Stirnfläche in mm einander gegenüber. Die Härtbar- keit kann hierbei durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen gemessen werden.
Tabelle 1 :
(1 [mm] HRCmax HRCmin
1,5 61 53
3 61 53
5 61 52
7 60 51
9 60 49
11 59 43
13 59 40
15 58 37
20 56 34
25 53 32
30 51 31
35 48 30
40 47 30
45 46 29
50 45 29 Die Härtewerte sind hierbei nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben. Je nach genauer Legierungszusammensetzung können auch hiervon abweichende HRC-Werte erzielbar sein. So können gegebenenfalls auf Basis der genannten Basislegierung 43CrMo4 auch HRC-Werte erzielbar sein, die 2 oder 3 HRC-Werte über oder unter den genannten minimalen und/oder maximalen HRC-Werten HRCmax bzw. HRCmin liegen.
Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei etwa 40 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlen- stoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu fast 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,6 Gew.-% oder höher erzielt werden.
So kann bei einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel - beispielsweise auf Basis einer 50CrMo4-Basislegierung - ein oder mehrere Härtewerte gemäß der folgenden, in Tabelle 2 angegebenen minimalen und maximalen HRC-Werte HRCmin bzw. HRCmax in Abhängigkeit des Abstands d von der abgeschreckten Stirnfläche in mm erzielbar sein.
Tabelle 2:
(1 [mm] HRCmax HRCmin
1,5 65 60
3 65 60
5 64 59
7 64 58
9 63 57
11 63 56
13 63 55
15 62 53
20 61 50
25 60 47
30 58 45
35 57 44
40 55 43
45 54 42
50 54 42
Auch hier können in Abhängigkeit von der genauen Legierungszusammensetzung und auch gegebenenfalls auf Basis anderer Basislegierungen entsprechende minimale und maximale HRC-Werte HRCmin- bzw. HRCmax- Werte erzielbar sein, die 1 , 2 oder 3 HRC- Stufen bzw. -Werte über oder unter den in Tabelle 2 angegebenen Werten liegen. Die Härtbarkeit kann auch hier durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen gemessen werden. Wie bereits zuvor erläutert, weisen Stähle, die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, ein vermindertes Kornwachstum bei der Wärmebehandlung und damit (im Allgemeinen) eine geringe Korngröße auf. Gemäß ASTM-Standard E 112 (Ausgabe 2010) (ASTM = American Society for Testing Materials) weisen sie Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5, 6, 7 oder darüber auf. Hierbei wird nach der Präparation eines Schliffs ein Foto in einer Vergrößerung von 100: 1 mit verschiedenen Standardbildern verglichen. Der Klasse 5 entsprechen hierbei Körner mit einem mittleren Durchmesser von etwa 60 μιη, denen der Klasse 6 solchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 45 μιη, denen der Klasse 7 solchen mit einem mittleren Durchmesser von et- wa 35 μιη und denen der Klasse 8 solchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa
22 μιη. Als Korngröße und Korngrenzen werden bei Stählen die Größe bzw. Korngrenzen der, gegebenenfalls ehemaligen, Austenitkörner bezeichnet.
Hinsichtlich der Mikrostruktur nichtmetallischer Einschlüsse können Ausführungsbeispiele von Stählen beispielsweise unter Ausnutzung der in den Standards ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) sowie DIN 50602: 1985 definierten Messmethoden quantifiziert werden. Auch bei diesen Verfahren werden Schliffe angefertigt und in einer 100: 1 -fachen Vergrößerung mit Standardbildern verglichen. Ausführungsbeispiele können gemäß den folgenden Mikro Strukturklassen oder besser bereitgestellt werden. Ta- belle 3 zeigt hierbei nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10), die Ausführungsbeispiele erreichen können.
Tabelle 3 :
Jernkontret
Standarddiagramm
A (fein bzw. dünn) 2,5
A (dick) 1,5
B (fein bzw. dünn) 2,0
B (dick) 1,0
C (fein bzw. dünn) 0,5
C (dick) 0,5
D (fein bzw. dünn) 1,0
D (dick) 1,0 Entsprechend zeigt Tabelle 4 nichtmetallische Einschlüsse gemäß DIN 50602: 1985, die Ausführungsbeispiele erreichen können. Hierbei werden Stabdurchmesser d in mm charakteristischen kumulierten K- Werten gegenüber gestellt. Tabelle 4:
d [mm] K-Faktor
200 < d K4 < 20
140 < d < 200 K4 < 18
100 < d < 140 K4 < 16
70 < d < 100 K4 < 14
35 < d < 70 K4 < 12
17 < d < 35 K3 < 15
8 < d < 17 K3 < 10
d < 8 K2 < 12
Diese Stähle können beispielsweise in einem Verfahren hergestellt werden, das zwei Schritte umfasst, die gleichzeitig oder auch aufeinanderfolgend ausgeführt werden können. Hierbei wird in einem ersten Schritt eine Basislegierung des Stahls bereitgestellt, die dann in einem zweiten Schritt mit dem ersten und dem zweiten Legierungselement legiert wird.
Grundsätzlich können sie mithilfe aller Verfahren hergestellt werden, auch wenn aufgrund ökonomischer und/oder prozessbedingter Eigenschaften einzelne Verfahren eher in Randgebieten zum Einsatz kommen. So ist es möglich, beide Verfahrensschritte beispielsweise im Fall nur geringer zu produzierenden Tonnagen im Rahmen des Tiegelstahlverfahrens oder des Elektrostahlverfahrens durchzuführen, wobei die Legierungselemente in chemisch reiner Form (z. B. metallischer Form), beispielsweise als Pulver oder als Granulat (Stückchen), als chemische Verbindung oder als Legierung hinzugegeben wird.
Die Verfahrensschritte können jedoch auch sequenziell erfolgen. So kann der Schritt des Bereitstellens der Basislegierung beispielsweise die Bereitstellung von Roheisen in einer Hochofenroute, aber auch mittels anderer Verfahren umfassen. Das Roheisen kann dann im Rahmen eines Blasverfahrens (z. B. LD-Verfahren oder Linz-Donawitz- Verfahren) o- der eines Herdfrischverfahrens (z. B. Siemens-Martin- Verfahren) zu Stahl weiterverarbei- tet werden. Als optionalen weiteren Schritt kann das Bereitstellen der Basislegierung ferner ein Frischen umfassen, das zu einer Anpassung (im Allgemeinen einer Senkung) des Gehalts von Elementen wie Silizium (Si), Mangan (Mn), Schwefel (S) oder auch Phosphor (P) führt. Auch können durch Zugabe weiterer Elemente die Eigenschaften der so erzeug- ten Basislegierung optional weiter verändert werden. Beispiele hierfür umfassen Aluminium, (AI), Vanadium (V), Chrom (Cr), Kalzium (Ca), Silizium (Si), Niob (Nb), Titan (Ti), Nickel (Ni) und Molybdän (Mo). So kann beispielsweise durch Zugabe von Aluminium (AI), Silizium (Si), Kalzium (Ca) oder Kalziumverbindungen eine Desoxidation erzielt werden.
In dem zweiten Schritt des Legierens mit den Legierungselementen können diese dann in metallischer oder in chemisch gebundener Form der Basislegierung zugesetzt werden. Der Schritt des Legierens mit den Legierungselementen ist hierbei ein typischer Schritt der Sekundärmetallurgie, der beispielsweise in einem Pfannenofenver fahren nach dem Frischen durchgeführt werden kann. Hierbei können optional weitere Legierungselemente beigegeben werden, soweit dies noch notwendig oder erwünscht wird. Chrom, Tantal und Molybdän können so beispielsweise korrosionshemmend wirken. Der Schritt des Legierens mit den Legierungselementen erfolgt hierbei bei einer Temperatur von weniger als 1600 °C, wobei gegebenenfalls die Temperatur auch auf werte von unter 1550 °C oder von unter 1500 °C beschränkt werden kann.
Im Rahmen der Sekundärmetallurgie können weitere Verfahrensschritte umfasst sein, etwa eine Entgasung durch eine Vakuumentgasung oder durch andere Verfahren. Daran können optional weitere mechanische, thermische oder andere Weiterverarbeitungsschritte, also etwa ein Walzen des Stahls, folgen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager 200 für eine Großanlage, beispielsweise eine Windkraftanlage, eine Gezeitenkraftanlage, Walzwerk oder eine Baumaschine. Das Kegelrollenlager 200 umfasst einen Außenring 210 und einen Innenring 220, die in Fig. 2 bezogen auf eine Symmetrielinie 230 gezeigt sind, wobei die Symmetrielinie 230 mit der Achse des Kegelrollenlagers 200 zusammenfällt. Zwischen dem Innenring 220 und dem Außenring 210 ist eine Mehrzahl von kegelstumpfförmigen Wälzkörpern 240 angeordnet, die von einem optionalen Käfig 250 geführt werden. Durch eine Relativbewegung des Innenrings 220 zu dem Außenring 210 rollen die Wälzkörper 240 an einer Lauffläche 260 des Innenrings 220 und einer Lauffläche 270 des Außenrings 210 ab. Zur seitlichen Führung der Wälzkörper 240 weist das Kegelrollenlager 200 Führungsborde auf. Der Innenring umfasst so einen ersten Bord 280 und einen zweiten Bord 290, während der hier gezeigte Außenring keine seitlichen Führungsborde aufweist.
Der Außenring 210 und der Innenring 220 stellen beide jeweils Bauteile gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar, wie es bereits als Bauteil 100 in Fig. 1 gezeigt wurde. Sie sind hierbei vollständig aus Stahl gefertigt, unterscheiden sich somit von dem in Fig. 1 gezeigten Bauteil 100 beispielsweise dadurch, dass das dort gezeigte Bauteil zumindest nur abschnittweise einen entsprechenden Stahl aufweist. Anders ausgedrückt stimmen das Bauteil 100-1, also der Außenring 210, und das Bauteil 100-2, also der Innenring 220, jeweils mit ihren entsprechenden Abschnitten 110-1 bzw. 110-2 der Bauteile 100 überein.
Der Außenring 210 und der Innenring 220 weisen entsprechend jeweils eine Randzone 130-1 bzw. 130-2 auf, die jeweils unmittelbar unter den Oberflächen 120-1 und 120-2 der beiden Bauteile 110 liegen. In diesen ändert sich - wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde - der Anteil eines chemischen Elements messbar, also beispielsweise um wenigstens 0,1 Gew.-%. Werden beispielsweise die beiden Bauteile 100 im Rahmen ihrer Herstellung einem Einsatzhärten unterworfen, ändert sich in den Randzonen 130-1 und 130-2 der Anteil des Kohlenstoffs (C), wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 noch näher beschrieben wird. Hierbei ergibt sich auch eine Härtung des Stahls bis zu einer Einsatzhärtungstiefe, die häufig mit dem Formelzeichen CHD (engl. Case Hardening Depth) oder Eht („Einsatzhärtungstiefe") bezeichnet und auf eine Grenzhärte von 550 HV1 oder 52,5 HRC bezogen wird.
Die Einsatzhärtungstiefe kann hier beispielsweise wenigstens 5 mm betragen. Je nach Bedarfkann auch ein tieferer Härtungsbereich von 10 mm oder darüber erzeugt werden, der gerade bei hoch belasteten Bauteilen, wie den Wälzlagerringen von Großmaschinen, einer vorzeitigen Ermüdung entgegenwirkt und auch dem bei großen Wälzlagerringen höheren Aufmaß für die Hartbearbeitung (z. B. wegen Verzugs) Rechnung trägt. Aber auch im Bereich der Wälzkörper und anderer Bau- oder Maschinenteile sind Härtungsbereiche mit Einsatzhärtungstiefen im beschriebenen Ausmaß aus unterschiedlichen Gründen häufig sehr erwünscht.
Stähle, die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kom- men, sind so derart härtbar, dass sie zumindest abschnittsweise in der Randzone 130 hochfest ausgeführt werden können. Sie eignen sich daher als Stähle für Wälzlager und für andere Anwendungsgebiete, bei denen die aus ihnen gefertigten Bauteile starken dynamischen und/oder statischen Belastungen unterworfen werden. Bei Wälzlagern handelt es sich hierbei typischerweise um eine zyklische und/oder statische Druckbeanspruchung, wobei die verbesserte Härtbarkeit und Kornstabilität der Ermüdung, dem spontanen Versagen und dem Verschleiß, entgegenwirken. Das Fehlen kritischer Zugspannungen und der hohe hydrostatische Druck im Hertzschen Kontakt lassen den gehärteten Stahl mikroplastisch fließen und führen zu einer etwa gegenüber einer vergleichbaren zyklischen Zug- Druck- oder Umlaufbiegebeanspruchung um Größenordnungen höheren Lebensdauer bei Wälzermüdung (Werkstoffermüdung durch Überrollung).
Das konventionelle Kohlenstoff-Einsatzhärten, oft einfach Einsatzhärten genannt, beruht auf der kontrollierten Eindiffusion von Kohlenstoff meist aus regelbaren Kohlenwasserstoffatmosphären in die Randzone 130 eines Bauteils 100 und nachfolgendem Härten. Bau- teilzuverlässigkeit, Ressourcenschonung und Produktionskosteneffizienz machen hohe
Treffsicherheit der Prozesszielgrößen ratsam. Diese strengen Anforderungen werden in der Praxis jedoch häufig nicht erfüllt. Eine Erfolg versprechende Prozessoptimierung des Einsatzhärtens kann so mit Hilfe eines leistungsfähigen Computersimulationswerkzeug verbessert werden.
Das Einsatzhärten umfasst typischerweise die Teilschritte des Aufkohlens, des Abschreckens und des Anlassens. Die Produkte zeichnen sich durch hohe Härte, Festigkeit
(Streckgrenze) und risshemmende Druckeigenspannungen in der beanspruchten Randschicht sowie gute Kernzähigkeit und damit erhöhte Sicherheit gegen Spaltbruch und Stoßbelastung aus. Behandelt werden konventionell un- bzw. niedriglegierte Stähle mit Kohlenstoffgehalten von etwa 0,05 bis 0,30 Gew.-%, was Grundhärten im Bereich zwischen 30 HRC und 50 HRC entspricht. Das Verfahren wird besonders für mechanisch, durch Werkstoffermüdung oder Verschleiß, stark beanspruchte Bauteile angewandt, die zusätzlich Stoßlasten aufnehmen müssen. Hierzu zählen etwa Werkzeuge, Zahnräder und Verzahnungen, Lager, Antriebs-, Nocken- und Kurbelwellen, Zapfen, Spindeln, Kolben, Bolzen, Schrauben und Stahlkäfige. Unter bestimmten Beanspruchungs- bzw. Betriebsbedingungen kann sich ein höherer Restaustenitgehalt in der Randzone 130 günstig auf die Lebensdauer auswirken.
Die thermochemische Kohlenstoffanreicherung der oberflächennahen Randzone 130 erfolgt durch Diffusion, die industriell überwiegend aus der Gasphase eingeleitet wird. Die trägheitsarm regelbaren, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffgemische bezeichnet man wegen der erzielbaren Aufkohlungsgeschwindigkeiten (Kohlenstoffübergangszahlen) häu- fig auch als schnell. Die Prozesstemperaturen liegen konventionell zwischen 850 °C und 980 °C, können jedoch bei Stählen, wie sie im Rahmen von Bauteilen 100 gemäß Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen, auch deutlich darüber liegen.
Die Bauteile 100 werden hierbei zunächst, z. B. in einer Schutzatmosphäre, erwärmt. Ob- wohl die heutige Ofentechnik weitgehend beliebige Verfahrensführung gestattet, besteht konventionelles isothermes Normaldruck-Gasaufkohlen nur aus zwei Prozessschritten: der Sättigungs- und der Ausgleichsstufe. Üblicherweise liefern Industrieanlagen in beiden Phasen vergleichbare Kohlenstoffübergangszahlen. Die jeweiligen Anteile an der Gesamtbehandlungsdauer betragen grob 80% und 20%. In der Sättigungs- oder Kohlungsstufe wird mit Kohlenstoffpegeln um 0,8 bis 1,3 Gew.-%> für den Kohlenstoff gearbeitet. Dieser Wert liegt möglichst nahe an der Carbid- bzw. Rußgrenze des verwendeten Stahls bzw. der Anlage. Die Kohlenstoffaufhahme in der Randzone 130 wird dadurch maximal beschleunigt.
Die anschließende Ausgleichs- oder Diff sionsphase eines solchen zweistufigen Prozesses zur Glättung des steilen oberflächennahen Konzentrationsgradienten erfolgt unter abgesenktem Kohlenstoffpegel zwischen 0,55 und 0,95 Gew.-%>. Der angestrebte Randkohlenstoffgehalt beträgt häufig zwischen 0,6 und 0,85 Gew.-%>. Hierbei sollen Oberflächenhär- ten von etwa 58 bis 65 HRC erreicht werden.
Als Abschreckmittel mit unterschiedlicher Intensität und Abkühlgeschwindigkeit eignen sich Wasser, was oft einen starken Verzug und erhöhte Rissgefahr bewirkt, bzw. Tensid- gemische, Härteemulsionen, Öle, Salzschmelzen oder Kühlgase, beispielsweise Helium (He), welches unter Hochdruck mit bis zu 40 bar eingeblasen wird.
Industriell werden häufig Direkthärten, das besonders wirtschaftlich aus der Aufkohlungs- hitze erfolgen kann, Einfachhärten bei Austemtisierungstemperaturen um etwa 800 °C mit einem Zwischenabkühlen und Doppelhärten angewandt, was eine besonders hohe Kernzähigkeit ergibt.
Angelassen wird typischerweise bei 150 bis 200 °C für 2 bis 4 Stunden. Die wichtigsten Prozesszielgrößen des Aufkohlens und Härtens sind die Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefe, die zumeist zwischen 0,05 mm für die Feinwerktechnik und 10 mm und darüber z. B. für große Getrieberäder oder Wälzlager und den Schwermaschinenbau liegen. Technisch werden meist Werte zwischen 0,5 und 4 mm gefordert. Hinzu kommen der Randkoh- lenstoffgehalt und die Oberflächenhärte als zum Teil wichtige Parameter. Zusätzlich kön- nen etwa im äußeren Werkstückbereich anwendungsbedingte Sollwert grenzen oder bestimmte Profilformen gefordert werden.
Für die Prozessregelung ist die mathematische Vorhersage des Kohlenstoff- und Härtetiefenverlaufs in Echtzeit zur ständigen Stellgrößenansteuerung ratsam. Auch der resultieren- den Restaustenitverteilung kommt Bedeutung zu.
Bauteile 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel können beispielsweise mit stickstoffverdünntes Methanol-Spaltgas als Trägergas hergestellt werden, wobei auch aus Sicherheitsgründen ein vergleichsweise geringer Überdruck von 6 mbar verwendet wird. Zugesetztes Erdgas kann dann als Kohlenstoffspender dienen, wobei eine C-Stromsonde zur Überwachung der Prozessparameter verwendet werden kann.
Fig. 3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Verlaufs des Kohlenstoffanteils 300 (c(C)) und einen Härteverlauf 310 (H = hardness) als Funktion einer Tiefe (d = depth) von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 aus, das im Rahmen eines Einsatzhärtungsverfahrens hergestellt wurde. Ausgehend von der Oberfläche 120 des Bauteils (d = 0) weist der Kohlenstoffanteil im Wesentlichen einen ersten konstanten Wert auf, bevor er abnimmt und im Inneren des Werkstücks einem zweiten Wert c0(C) zustrebt. Der erste Wert des Kohlenstoffanteils c(C) liegt hierbei über dem zweiten Wert c0(C), der im We- sentlichen dem Kohlenstoffanteil des Stahls vor dem Einsatzhärten entspricht. Fig. 3 zeigt ferner eine punktierte Linie 320, die die Randzone 130 des Bauteils 100 von dem Rest des Bauteils 100 bzw. des Abschnitts 110 (nicht gezeigt in Fig. 3) bei Erreichen der Kern- bzw. Ausgangszusammensetzung des Stahls trennt.
Der Härteverlauf 310 zeigt ein ähnliches Verhalten wie der Verlauf 300 des Kohlenstoffanteils c(C). Auch dieser weist - ausgehend von der Oberfläche 120 - zunächst im Wesentlichen einen konstanten Wert auf, der in einem Übergangsbereich auf einen zweiten Wert HO fällt, der der Härte im Inneren des Bauteils 100 entspricht. Der Härteverlauf 310 folgt hierbei im Wesentlichen dem des Kohlenstoffanteils 300. Zwischen beiden treten, wie auch in Fig. 3 dargestellt ist, in der Realität häufig gewisse Abweichungen auf, die etwa auf mangelnde Einhärtbarkeit des Stahls zurückgehen können.
Die Härte kann beispielsweise nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben werden, eventuell nach Umwertung. Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei etwa 40 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu nahezu 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,6 Gew.-% oder darüber erzielt werden. Die Härtbarkeit kann hierbei durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirn- flächenabständen ermittelt werden.
Die resultierende Härte wird hierbei vorwiegend durch den Kohlenstoffanteil bestimmt. Die weiteren Legierungsmetalle verbessern die Einhärtbarkeit (Härteannahme) und verhindern ein übermäßiges Kornwachstum, wobei bereits ein geringer, oben genannter Anteil des Legierungselements kornstabilisierend wirkt. Dies gilt ebenso für höhere Anteile.
Auch durch ein geeignetes optionales Legieren mit weiteren Legierungselementen, also beispielsweise mit Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr), kann das Kornwachstum bei der Wärmebehandlung (weiter) behindert wird. Typische Gehalte dieser Legierungselemente liegen zwischen 0,1 und 5 Gew.-%.
Es wird hierbei vermutet, dass eingelagerte Karbide das Kornwachstum behindern, da diese als Hindernisse für die Korngrenzenbewegung und bei der Umwandlung in Austenit als Keime wirken und so die Kornbildung unterstützen können. Daher sind diese Stähle mit steigendem Legierungszusatz überhitzungsunempfindlicher als unlegierte Stähle mit gleichem Kohlenstoffgehalt. Dabei verhindern die eingelagerten Karbide ein übermäßiges Kornwachstum. Gerade Tantalkarbid (TaC) ist hier besonders vorteilhaft, da sich dieses im Vergleich zu anderen Karbiden nicht so schnell aufzulösen scheint.
Die Auikohlungstiefe kann nach DIN EN 10052: 1994-01 (Begriffe der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen) in gebräuchlicher Weise als senkrechter Oberflächenabstand für eine Konzentration von 0,35 Gew.-% Kohlenstoff (C) definiert und mit Ato,35 bezeichnet werden. Der Wahl des genannten Kohlenstoffgehalts liegt die Annahme zugrunde, dass vollständig martensitisches Gefüge an dieser Stelle einen Grenzwert 550 HV 1, entsprechend etwa 52,5 HRC, der Einsatzhärtungstiefe CHD (Case Hardening Depth, im deutschsprachigen Schrifttum oft Eht) nach DIN EN ISO 2639:2003-04 (Stahl - Bestimmung und Prüfung der Einsatzhärtungstiefe) erreicht. Allerdings können auch andere vorbestimmte Kohlenstoffanteile zur Definition einer Auikohlungstiefe herangezogen werden. Diese können durch entsprechend geänderte, tiefgestellte Indizes im Symbol (z. B. At0i32) unterschieden werden.
Die Verläufe 300, 310, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, können beispielsweise nach einer 70- stündigen Aufkohlungsdauer, einem Abkühlen in einem Salzwarmbad bei 320 °C, einem Glühen für 20 Stunden zur Reduzierung des Wasserstoffs im Stahl und einem darauf folgenden Austenitisieren unter Schutzgas bei 805 °C für 70 min, bei dem die Änderung der Kohlenstoffverteilung häufig vernachlässigbar ist, erzielt werden (Einfachhärten). Als Abschreckmittel kann ein auf 100 °C erwärmtes Härteöl dienen. Das Bauteil 100 kann danach beispielsweise mehrere Minuten an Luft auskühlen.
So können beispielsweise bis in eine Tiefe von etwa 3,5 mm der Kohlenstoffgehalt über 0,6 Gew.-% liegen. Mit diesen Konzentrationen sind Härtewerte über 60 HRC möglich. Ebenso können Einsatzhärtungstiefen CHD von beispielsweise 6,4 bis über 10 mm erzielt werden.
Fig. 4 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Verlaufs des Kohlenstoffanteils 300 (c(C)), einen Härteverlauf 310 (H = hardness) und einen Verlauf eines Stickstoffanteils 330 (c(N)) als Funktion einer Tiefe (d = depth) von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 aus, das im Rahmen eines Carbonitrierens mit einer optionalen Härtung hergestellt wurde. Der Verlauf des Stickstoffanteils 330 weist einen zumindest ähnlichen Verlauf wie der Verlauf des Kohlenstoffanteils 300 aus Fig. 3 auf, wobei allerdings die Änderung von einem ersten, an der Oberfläche 120 des Bauteils 100 vorliegenden Wert auf einen zweiten Wert c0(N) im Inneren des Bauteils auf einer deutlich kürzeren Distanz erfolgt. Typische Stickstoffanteile können so an der Oberfläche im Bereich weniger Zehntel bis einiger Gewichtsprozent, häufig mehrerer Zehntel Gewichtsprozent, liegen, während im Inneren des Bauteils der Wert c0(N) eher im Bereich einiger 10 bis einiger 100 ppm liegt.
Durch den im Bereich der Oberfläche 120 des Bauteils 100 auftretenden, erhöhten variie- renden Stickstoffanteil, weist in Fig. 4 der Kohlenstoffanteil 300 (c(C)) einen im Vergleich zu einem maximalen Wert leicht reduzierten Wert auf. So bewirkt der Stickstoff an der Oberfläche 120 aufgrund von Diffusionsprozessen eine Änderung des Kohlenstoffanteils an der Oberfläche gegenüber einem Aufkohlen ohne eine gleichzeitige Stickstoffanreiche- rung, und damit einem variierenden Stickstoffgehalt in der Randschicht. Ebenso kommt es aufgrund der beim Carbonitrieren verwendeten Prozesstemperaturen zu einem Austritt von Kohlenstoff durch Diffusion aus der Oberfläche 120 des Bauteils, der jedoch durch eine zumindest teilweise Aufnahme aus dem kohlenstoffabgebenden Medium kompensiert wird. Das Medium wirkt so in Bezug auf den Kohlenstoff als„Effusionsbarriere", indem aus der Oberfläche 120 aufgrund der Prozesstemperaturen austretender Kohlenstoff durch Kohlenstoff aus dem Medium ersetzt werden kann.
Wegen der durch Stickstoff veränderten Aktivitäts-Konzentrationsbeziehung von Kohlenstoff weist der Kohlenstoffanteil 300 (c(C)) ein lokales Maximum etwa in einem Bereich auf, in dem der Stickstoffanteil 330 auf einen Wert gefallen ist, bei dem der Einfluss von Diffusionsprozessen an Bedeutung abgenommen hat. Dies kann - je nach konkretem Verlauf des beteiligten Anteile 300, 330 - beispielsweise etwa im Bereich der größten Änderung des Stickstoffanteils 330 erfolgen.
Wie auch der Verlauf 300 des Kohlenstoffanteils c(C) zeigt, der bereits im Bereich der Oberfläche 120, also bei d = 0, einen Wert aufweist, der etwa im Bereich des Werts c0(C) im Inneren des Bauteils ist, handelt es sich bei dem hier eingesetzten Stahl um einen durchhärtenden Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von etwa 1 Gew.-%, beispielsweise auf Basis des Stahls 100Cr6. Da trotz der beschriebenen Veränderung des Kohlenstoffgehalts c(C) im Bereich der Randzone 130 dieser typischerweise nicht unter einen Wert von etwa 0,8 Gew.-% fällt, führt diese Änderung des Kohlenstoffgehalts c(C) jedoch kaum zu einer Änderung des Härteverlaufs 300 (H). Dieser ist daher im Wesentlichen konstant. Das Kohlenstoff abgebende Medium beim Carbonitrieren kann so gewählt werden, dass der einheitliche Ausgangskohlenstoffanteil eines verwendeten durchhärtenden Stahls möglichst we- nig verändert wird.
Auf Basis einer der Aufkohlungstiefe Atxx ähnlichen Definition der Carbonitriertiefe CNtyy, wobei xx und yy jeweils vorbestimmte Grenzwerte der Kohlenstoff- bzw. Stick- stoffanteile darstellen, liegt so, abhängig von der Wahl yy, das lokale Maximum des Koh- lenstoffanteils 300 (c(C)) etwa bei der Carbonitriertiefe. Im Vergleich zu einem Kohlen- stoff-Stickstoff-Einsatzhärten auf Basis eines Einsatzstahls mit einem Kohlenstoffanteil von typischerweise weniger als 0,6 Gew.-%, tritt die Änderung des Stickstoffanteils c(N) hier auf einer sehr viel kleineren Längenskale als die typische Aufkohlungstiefe Atxx auf. Als Folge fällt so der Punkt der maximalen Änderung des Verlaufs des Stickstoffanteils 330 hier im Wesentlichen mit der Carbonitriertiefe zusammen. Die Änderung des Stick- stoffanteils c(N), wie er in Fig. 4 gezeigt ist, tritt bei einem Ausführungsbeispiel eines Bauteils so häufig auf einer Längenskala auf, die einige 100 μιη beträgt, also beispielsweise 500 μιη umfasst. Die Verwendung erfindungsgemäßer mikrolegierter kornstabiler Stähle erlaubt eine Verlängerung der Zeit und/oder Erhöhung der Temperatur des Carbonitrierens, sodass auch tiefere Einflusszonen CNtyy um 1 mm oder darüber bei geeignetem Einsatzge- füge des Werkstoffs erreichbar sind.
Während der Härteverlauf 310 ausgehend von der Oberfläche 120 (d=0) so im Wesentlichen seinen Wert im Inneren des Bauteils aufweist (H(d) = H0), weist der Verlauf des Koh- lenstoffanteils 300 an der Oberfläche 120 des Bauteils 100 einen ersten Wert auf, der kleiner als ein zweiter Wert im Bereich des lokalen Maximums ist. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde, nähert sich der Verlauf 300 dann wieder einem dritten Wert Co(C) im Inneren des Bauteils 100. Der dritte Wert Co(C) entspricht bei dem in Fig. 4 gezeigten Verlauf 300 etwa dem ersten Wert an der Oberfläche 120 (d=0). In der Randzo- ne 130 ändern sich daher bei diesem Ausfuhrungsbeispiel sowohl der Kohlenstoffanteil c(C) wie auch der Stickstoffanteil c(N), während eine Änderung des nach dem Härten vorliegenden Härteverlaufs 310 im Wesentlichen nicht stattfindet. Im Fall eines Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärtens eines nicht durchhärtenden Stahls, also beispielsweise eines Einsatzstahls, kommt es durch die Aufnahme von Kohlenstoff aus dem diesen abgebenden Medium ebenfalls zu einer messbaren Änderung des Kohlenstoffanteils im Bereich der Oberfläche 120 und damit der Randzone 130. So wird bei diesem zum Einsatzhärten zählenden Carbonitrierprozess Kohlenstoff aus dem Medium im Stahl, also im Bauteil 100 aufgenommen, wodurch der Kohlenstoffanteil derart ansteigt, sodass damit ebenfalls nach dem (Einsatz-) Härten eine Erhöhung der Härte in der Randschicht einhergeht. Allerdings weist auch hier der Kohlenstoffgehalt aufgrund von Diff sionspro- zessen typischerweise ein lokales Maximum auf, das nicht an der Oberfläche 120 des Bau- teils 100 liegt. So weist der Kohlenstoffanteil an der Oberfläche 120 einen ersten Wert auf, der auf einen höheren zweiten Wert, nämlich den Wert des lokalen Maximums ansteigt, und dann auf einen dritten Wert abfällt, der im Inneren des Bauteils 100 vorliegt und etwa der ursprünglichen Kohlenstoffkonzentration entspricht. Gleichzeitig dient das Medium aber auch als Quelle für den Stickstoff. Es kommt daher auch bei einem solchen Prozess in der Randzone 130 zu einer Änderung des Stickstoffanteils c(N) und auch zu einer messbaren Änderung des Kohlenstoffanteils c(C).
Ein nicht durchhärtender Stahl ist hierbei typischerweise ein solcher Stahl, der vor dem Einsatzhärten und/oder dem Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten einen Kohlenstoffanteil von höchstens 0,6 Gew.-% aufweist, meist höchstens 0,3 Gew.-%, während ein durchhärtender Stahl ein solcher ist, bei dem typischerweise vor dem Carbonitrieren der Kohlenstoffanteil wenigstens 0,6 Gew.-% beträgt. Neben dem in Fig. 1 gezeigten Bauteil sind bisher der in Fig. 2 gezeigte Innenring 210 sowie der Außenring 220 eines einreihigen Kegelrollenlagers 200 beschrieben worden. Aus- führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind hierauf jedoch bei Weitem nicht beschränkt. Neben mehrreihigen (z. B. zweireihigen) Wälzlagerringen, Wälzkörpern (u. a. ein Zylinderrolle, Kugel und Kegelrolle) und anderen induktiv zu härtenden Wälzlager- komponenten zählen zu den Ausführungsbeispielen ebenfalls andere Bauformen von
Wälzlagern, also etwa Zylinderrollenlager, Tonnenlager, Kugellager, Vierpunktlager und Nadellager ebenso, wie Gleitlager, Zwischenringe und andere Bau- und Maschinenteile der rotativen und linearen Lagertechnik. Auch Bauteile anderer Disziplinen des Fahrzeug- und Maschinenbaus können als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden. Hierzu zählen grundsätzlich alle Bauteile, die wenigstens einen Bereich aufweisen, der einer erhöhten Belastung unterworfen ist.
Wie bereits zuvor erläutert wurde, können Bauteile gemäß Ausführungsbeispielen voll- ständig oder teilweise, also abschnittsweise aus Stahl gefertigt sein. Anders ausgedrückt sind Ausführungsbeispiele in dieser Beziehung nicht auf eine vollständige Ausführung aus einem Material beschränkt. Beispiele hierfür sind Verbundbauteile, die einen entsprechend ausgeformten Abschnitt aufweisen, in dem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden Randhärtungsbereich imp- lementiert ist. Andere Bereiche des betreffenden Bauteils können beispielsweise aus einem anderen Metall, einer anderen Legierung oder einem anderen Stahl gefertigt sein. Eine Verbindung kann in diesen Fällen beispielsweise stoffschlüssig in Form einer Löt- oder Schweißverbindung hergestellt werden. Aber auch andere Verbindungsmethoden sind hier denkbar, beispielsweise eine kraft- oder formschlüssige Verbindung oder auch eine Kle- bung als weitere Form der stoffschlüssigen Verbindung. Diese Methoden können beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn ein Verlöten oder Verschweißen nicht infrage kommt, wenn also die beteiligten Stoffe nicht löt- oder schweißbar sind. Beispiele können hierfür etwa Kunststoffe oder glasfaserverstärkte Werkstoffe sein. Bei Ausführungsbeispielen, die nicht vollständig aus einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel gefertigt sind, zumindest jedoch einen Abschnitt aufweisen, kann sich dieser ausgehend von der Oberfläche entlang einer Geraden derart erstrecken, dass die Gerade vollständig in dem Stahl verläuft, bis sie an einem (weiteren) Oberflächenabschnitt aus dem Bauteil austritt.
Bei Ausführungsbeispielen können das Bauteil bzw. sein Abschnitt, der den Stahl aufweist, gegebenenfalls weitere Materialien umfassen. So kann ein solches Bauteil auch vollständig oder in einem entsprechenden Abschnitt aus einem Material gefertigt sein, welches den Stahl umfasst. Ein solches Material kann beispielsweise ein faserverstärkter Stahl oder eine andere hybride Materialkombination umfassen, bei der Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommt.
Ein Stahl, wie er im Rahmen eines Ausführungsbeispiels zur Anwendung kommen kann, kann ein Wälzlagerstahl sein. Zu den möglichen Anwendungsgebieten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zählen zunächst alle Großanlagen, bei denen einzelne Bauteile einer entsprechenden mechanischen Belastung unterworfen sind, die eine Einsatz- bzw. Randschichthärtung ratsam macht. Hierzu zählen Wind- und Gezeitenkraftanlagen ebenso, wie Generatoren, Baumaschinen, Kräne, Bagger, Transporter, Züge, Schiffsantriebe, Flugzeuge, Walzwerke und andere Maschinen. Grundsätzlich kann es auch ratsam sein, Ausführungsbeispiele in kleineren Anlagen und ihren Komponenten einzusetzen, da auch bei solchen Anlagen beispielsweise durch plötzliche Stoßbelastungen hohe Beanspruchungen auftreten können. Mikrolegierte kornstabile Stähle für das Einsatzhärten oder Carbonitrieren gemäß Ausfüh- rungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, sowie entsprechende Bauteile sind daher in einem weiten Feld von Anwendungen einsetzbar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli- chung von Ausführungsbeispielen in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und - soweit sich nicht aus der Beschreibung etwas anderes ergibt - beliebig miteinander kombiniert werden.
Ein Bauteil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweisen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Bauteil
1. Bauteil (100) mit folgenden Merkmalen: wenigstens einem Abschnitt (110), der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt (110) von einer Oberfläche (120) des Bauteils (100) in ein Inneres des Bauteils (100) erstreckt; und einer Randzone (130) in dem Abschnitt (1 10), die sich unmittelbar an die Oberfläche (120) des Bauteils (100) anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert; wobei der Stahl in der Randzone (130) wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) aufweist; wobei der Stahl einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt; und wobei der Stahl ferner Tantal mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist.
2. Bauteil (100) nach Anspruch 1, bei dem das chemische Element Kohlenstoff oder Stickstoff ist.
3. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der Anteil des chemischen Elements um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent ändert.
4. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gewichtsanteil des Tantals, des Niobs, des Titans oder des Vanadiums höchstens 2 Gewichtsprozent beträgt.
5. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Chromanteil höchstens 5 Gewichtsprozent beträgt.
6. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stahl ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweist, wobei das Legierungselement Molybdän, Nickel, Silizium, Mangan oder Chrom ist.
7. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stahl in der Randzone eine Aufkohlungstiefe von wenigstens 5 mm und/oder eine Carbonitrier- tiefe von wenigstens 0,1 mm aufweist, wobei die Aufkohlungstiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Kohlenstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Kohlenstoffanteil, beispielsweise 0,35 Gewichtsprozent, fällt, und wobei die Carbonitriertiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Stickstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Stickstoffanteil, beispielsweise 0,05 Gewichtsprozent, fällt.
8. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, das ausgehend von der Oberfläche in der Randzone bis zu einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm eine Härte von wenigstens 52,5 HRC aufweist.
9. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem der nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) aufweist, die maximal der in Tabelle 3 definierten Werten entspricht, oder der nichtmetallischen Einschlüsse gemäß DIN 50602: 1985 aufweist, die maximal der in Tabelle 4 definierten Werten entspricht.
Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil (100) eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, beispielsweise einer Windkraftanlage, einer Gezeitenkraftanlage, eines Generators, einer Baumaschine, eines Transporters, eines Zugs, eines Walzwerks, eines Schiffsantriebs, einer Papiermaschine oder eines Flugzeugs ist.
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