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WO2014012748A1 - Wälzlagerelement, insbesondere wälzlagerring - Google Patents

Wälzlagerelement, insbesondere wälzlagerring Download PDF

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WO2014012748A1
WO2014012748A1 PCT/EP2013/063186 EP2013063186W WO2014012748A1 WO 2014012748 A1 WO2014012748 A1 WO 2014012748A1 EP 2013063186 W EP2013063186 W EP 2013063186W WO 2014012748 A1 WO2014012748 A1 WO 2014012748A1
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WO
WIPO (PCT)
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carbon
nitrogen
mass
rolling bearing
bearing element
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/063186
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian SCHULTE-NÖLLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to CN201380036414.3A priority patent/CN104662312B/zh
Priority to US14/414,434 priority patent/US20150184695A1/en
Priority to CA2870114A priority patent/CA2870114A1/en
Priority to KR1020157000780A priority patent/KR20150036049A/ko
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Definitions

  • Rolling element in particular rolling bearing ring description
  • the invention relates to a rolling bearing element, in particular a rolling bearing ring, which rolling bearing element is formed from an austenitic steel.
  • Rolling or rolling bearing elements in particular rolling bearing rings, rolling elements, rolling elements receiving Wälz stressesurafige etc., are known to be used in different fields of technology. In this case, corresponding rolling bearing elements are regularly seen to have high mechanical and / or corrosive stresses during operation.
  • Known antifriction bearing elements are formed, for example, from stainless, martensite rolling bearing steels with carbide phases embedded therein, which, however, do not have sufficient corrosion resistance with respect to corrosive media.
  • Rolling bearing elements of higher-alloyed steels exhibit improved corrosion resistance compared with corrosive media, but these generally have inferior mechanical properties, in particular with regard to wear resistance, which is due to their homogeneous austenitic or so-called duplex steels ferritic-austenitic microstructure. Accordingly, the property profile of known roller bearing elements is often unsatisfactory in view of their mechanical properties, in particular wear resistance, overstress resistance, and their corrosion resistance to corrosive environments.
  • the invention is thus based on the problem of specifying an improved bearing element on the other hand.
  • a roller bearing element of the type mentioned contains a nitrogen (N) and / or carbon (C) formed by at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into surface areas of the rolling bearing element Has edge layer.
  • the rolling bearing element according to the invention both in terms of its mechanical properties, in particular surface hardness, wear resistance, rollover resistance, etc., as well as its corrosion resistance to corrosive media, that is, especially in chloride-containing media As in seawater or the like, an excellent property profile.
  • the rolling bearing element according to the invention is thus also suitable for so-called media lubrication, in which the lubrication of the rolling bearing element according to the invention comprehensive bearing not via lubricants such as greases or lubricating oils, but via the respective system liquid of the site of the bearing.
  • Media-lubricated roller bearings are z. B. used when the rolling bearing sealing gaskets are undesirable and / or due to risk of contamination common lubricant should be dispensed with. So far, in particular, the media lubrication with aqueous solutions was problematic, as with aqueous solutions, especially under highly dynamic conditions, the formation of a sufficiently viable lubricating film between the rolling elements and the rolling bearing rings of the bearing is hardly possible.
  • the antifriction bearing element according to the invention can be made of an austenitic steel having a composition of 16-21% by mass of chromium, 16-21% by mass of manganese, 0.5% to 2.0% by mass of molybdenum, in total 0.8-1.1% by mass of carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is 0.5 to 1.1, up to 2.5% by weight of impurity caused by impurities and a balance of iron by mass, the sum of all constituents being 100% by mass.
  • the rolling bearing element according to the invention is formed of a corrosion-resistant austenitic steel from the house. Two possible steel variants are described below. Two examples of concrete compositions of the aforementioned steel are shown in the following table. The data refer in each case to percent by mass.
  • the antifriction bearing element according to the invention can be made of an austenitic steel having a composition of 16-21% by weight of chromium, 16-21% by weight of manganese, either greater than 2% by mass of molybdenum or less than or equal to 2% by mass of copper, or greater than or equal to 2% by mass of molybdenum and 0, 25 to 2% by mass of copper, and more than 0.5% in total by weight of carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is greater than 0.5, up to 2.5% by weight of impurities caused by melting and a balance of iron by weight, the sum of all ingredients 100 percent by mass, be formed.
  • each of a residue of iron (Fe) and melting impurities having a total content of up to 2.5 percent by mass, contain, so that in each case a total of 100 percent by weight.
  • the mentioned steels are characterized, as mentioned, on the one hand by a good corrosion resistance on the part of the house, however, these show from the very beginning a comparatively low wear resistance.
  • Essential to the present invention is the high solubility of the steels for impurities. Accordingly, it is possible that, under suitable conditions, foreign atoms, in particular carbon and / or nitrogen, can diffuse into the microstructure of the steels. In this way, the initially mentioned carbon and / or nitrogen-containing edge layer can be formed in the edge or near-surface regions of the roller bearing element.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer formed by the diffusion of carbon and / or nitrogen into the microstructure results in a type of solid solution hardening in the region of the surface layer, which in particular is due to an expansion of the austenitic microstructure through the introduction of the carbon and / or nitrogen atoms is due.
  • Such a high hardness of the surface layer is given.
  • a microstructural change of the rolling bearing element in the region of carbon and / or nitrogen-containing surface layer formed as described is generally not given because the diffused into the steels impurities carbon and / or nitrogen there especially as interstitial atoms between the actual lattice sites of the microstructure present or are arranged. Consequently, the austenitic microstructure of the steels also essentially remains in the area of the carbon and / or nitrogen-containing boundary layer formed.
  • the boundary layer containing carbon and / or nitrogen can be delimited from the remaining structural material of the rolling bearing element by corresponding carbon atoms and / or nitrogen atoms arranged on interstitial sites.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer can also be understood as the region of the rolling bearing element in which an additional diffusion of carbon dioxide is achieved by carrying out the at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into surface regions of the rolling bearing element. len and / or nitrogen, wherein the diffused carbon atoms and / or nitrogen atoms are preferably located on interstitial sites. The difference between the carbon and / or nitrogen-containing surface layer and the rest of the structure of the rolling bearing element is particularly evident in the microsection.
  • the thus-formed carbon and / or nitrogen-containing surface layer is also largely free of precipitates.
  • the corrosion resistance of the steel-improving alloying elements such as, in particular, chromium (Cr), molybdenum (Mo) or nitrogen (N) are not or only slightly bound in carbide or nitride compounds by the additional introduction or penetration of carbon and / or nitrogen. Accordingly, the incorporation of carbon and / or nitrogen to form the carbon and / or nitrogen-containing surface layer does not significantly affect the corrosion resistance of the steels.
  • a roller bearing element according to the invention is to be understood, for example, as a rolling bearing ring, a roller body rolling between corresponding roller bearing rings or a roller body cage for receiving corresponding rolling bodies.
  • the edge zone containing carbon and / or nitrogen is formed at least in sections, in particular completely, on the outer and / or inner circumference of the rolling bearing ring and, in particular, in the region of the rolling bearing ring that is highly stressed during operation and encompasses the rolling body raceways ,
  • the boundary layer containing carbon and / or nitrogen can be delimited from the remaining material of the rolling bearing element in such a way that it has a comparatively higher proportion of carbon and / or nitrogen.
  • B. can be represented by micrographs.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer is inventively formed by at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen in near-surface regions of the rolling bearing element. Consequently, depending on the particular measure selected in the context of the measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into near-surface regions of the rolling bearing element, it is possible to diffuse carbon and / or nitrogen into near-surface regions of the rolling bearing element or the respective process parameters used in this context z. As temperature, pressure, duration, concentration of carbon and / or nitrogen content of any necessary carbon and / or nitrogen atmosphere targeted influence on the trainees or trained carbon and / or nitrogen-containing edge layer of the rolling bearing element are taken.
  • the penetration depth of the carbon and / or nitrogen atoms and the concentration of the carbon and / or nitrogen atoms in the carbon and / or nitrogen-containing surface layer can be influenced or controlled in terms of process technology.
  • a suitable temperature ie in particular a temperature below 500 ° C
  • the mechanical properties such as hardness, wear resistance, roll resistance etc. of the steel used can essentially be retained.
  • thermochemical treatment of the rolling bearing element in question that is, the diffusion of carbon and / or nitrogen to form the carbon and / or nitrogen-containing edge layer is advantageously based on a Ther- chemical treatment of the rolling bearing element.
  • this particular hardening in the range of 800 - 1500 HV (Vickers hardness), in particular greater than 900 HV.
  • the highest possible hardnesses of the carbon and / or nitrogen-containing surface layer should be sought, since they have a significant influence on the wear resistance of the rolling bearing element.
  • the hardness of the carbon and / or nitrogen can be retaining boundary layer in exceptional cases or in sections below 800 HV or above 1500 HV.
  • the layer thickness can be adjusted by suitable process selection and process control of the at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into near-surface regions of the rolling bearing element to form the carbon and / or nitrogen-containing edge layer.
  • the carbon and / or nitrogen-containing surface layer may accordingly have, for example, a layer thickness of from 1 to 50 ⁇ m, preferably from 2.5 to 40 ⁇ m, particularly preferably from 5 to 25 ⁇ m.
  • the layer thickness of the carbon and / or nitrogen-containing surface layer may in exceptional cases or in sections also be below 2.5 ⁇ m or above 40 ⁇ m.
  • the rolling bearing element according to the invention can be prepared by the method described below for producing a rolling bearing element, in particular a rolling bearing ring, with a carbon and / or nitrogen-containing surface layer, which also represents a part of the present invention.
  • the method according to the invention comprises the steps:
  • an austenitic steel rolling bearing element having a composition of 16 to 21% by mass of chromium, 16 to 21% by mass of manganese, 0.5 to 2.0% by mass of molybdenum, in total 0.8 to 1.1% by mass of carbon and nitrogen, said The ratio of carbon to nitrogen is 0.5 to 1.1, up to 2.5% by weight of impurity-causing impurities and a balance of iron by weight, the sum of all constituents being 100% by mass, or
  • a rolling bearing element made of an austenitic steel more preferably a composition of 16-21% by weight of chromium, 16-21% by weight of manganese, either greater than 2% molybdenum by weight or less than 2% copper by weight, or greater than 2% molybdenum by mass and 0.25 to 2% copper by weight, and more than 0.5% carbon and nitrogen in total, wherein the ratio of carbon to nitrogen is greater than 0.5, up to 2.5% by weight of impurities caused by melting and a balance of iron by mass, wherein the sum of all components is 100 percent by mass, and
  • thermochemical treatment of the rolling bearing element is preferably carried out.
  • Kolsterizing is generally understood to mean a diffusion of carbon into the material to be treated at temperatures below 300 ° C., whereby the carbon is dissolved in interstices of the starting material, resulting in compressive stresses and thus in a high hardness (greater than 1000 HV (Vickers hardness)). leads.
  • a plasma carburization is used with the use of a plasma for the diffusion of carbon into edge or near-surface areas of the material to be carburized.
  • a high hardness can be achieved in such a way due to the introduction of attributable to the incorporation of carbon compressive stresses.
  • Gas nitriding is a thermochemical process in which the material to be treated, that is in particular to be cured tempered while a nitrogen-containing gas such. B. ammonia (NH 3 ) is exposed, which then leads to the diffusion of nitrogen into the starting material.
  • gas nitrocarburizing in which a diffusion of carbon and nitrogen is achieved in the material to be treated, the material to be treated in addition a carbon-containing gas such.
  • B. CO 2 that is a total of a gas mixture of a nitrogen and a carbon-containing gas exposed and tempered accordingly.
  • thermochemical treatment is carried out in a temperature range from 250 to 550.degree. C., in particular below 500.degree. C., preferably below 450.degree. C. or of 400.degree.
  • the temperature applied during the thermochemical treatment it is possible to have a specific influence on the kinetics of the diffusion of carbon and / or nitrogen are taken in the edge or surface area of Wälzlagerele- element and thus targeted a certain range of properties of the carbon and / or nitrogen-containing surface layer to be formed can be adjusted. Due to the comparatively low temperatures, temperature-related influences on the dimensional stability and / or surface quality or roughness of the rolling bearing element can be excluded or at least kept to a tolerable extent. Of course, the thermo-chemical treatment in exceptional cases and / or temporarily below 200 ° C or above 550 ° C can be performed.
  • thermochemical treatment can be carried out in particular for a period of two to 24 hours, in particular 4 to 16 hours. Similar to the setting of the temperature applied in the course of carrying out the thermochemical treatment, it is also possible to influence the diffusion of carbon and / or nitrogen into the edge or surface area of the rolling bearing element by adjusting the duration or process time specifically a certain property spectrum of the carbon and / or nitrogen-containing surface layer to be formed can be set. Of course, in exceptional cases, the thermochemical treatment can also be carried out for less than two hours or longer than 24 hours.
  • the measure for forming the carbon and / or nitrogen-containing surface layer can be carried out such that a carbon and / or nitrogen-containing surface layer having a layer thickness of 1 to 50 ⁇ m, preferably from 2.5 to 40 ⁇ m, particularly preferably from 5 to 25 ⁇ , trains.
  • the layer thickness of the carbon and / or nitrogen-containing surface layer may also lie below 1 ⁇ m or above 40 ⁇ m.
  • the carbon prefferably be carried out before the at least one measure is carried out and / or nitrogen-containing edge layer at least one measure for work hardening, in particular cold forming, of the rolling bearing element is performed.
  • measures for cold work hardening of a metallic material cold forming is the plastic deformation of metallic materials at a temperature well below their respective recrystallization temperature to understand. The plastic deformation of the material increases the dislocation density within the material and thus causes an increase in hardness.
  • the mechanical properties of the roller bearing element can be increased even before the at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into near-surface regions of the rolling bearing element to form the carbon and / or nitrogen-containing edge layer is carried out in the context of the method according to the invention then, that is after the implementation of the at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen in near-surface regions of the rolling bearing element for forming the carbon and / or nitrogen-containing edge layer again increased or improved.
  • FIG. 1 shows a rolling bearing, comprising a plurality of rolling bearing elements according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a roller bearing 1 comprising a plurality of roller bearing elements 2 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the rolling bearing 1 is present as a ball bearing.
  • the rolling bearing elements 2 are formed as rolling bearing rings 3, 4 between which rolling elements 5 roll.
  • the rolling bearing elements 2 designed as rolling bearing rings 3, 4 are made of an austenitic steel, which steel has a composition of 16-21% by mass of chromium, 16-21% by mass of manganese, 0.5-2.0% by mass of molybdenum, in total 0.8-1, 1 mass% of carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is 0.5 to 1.1, 0.1 to 2.5 mass% of impurities caused by melting and a balance of mass of iron, the sum of all constituents being 100 mass% ,
  • one of the rolling bearing elements 2 or both rolling bearing elements 2 may also be made of an austenitic steel having a composition of 16-21% chromium, 16-21% manganese, either greater than 2% molybdenum or less than 2% copper by weight, or greater than 2% by mass Molybdenum and 0.25 to 2% by weight of copper, and more than 0.5% in total by weight of carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is greater than 0.5, 0.1 to 2.5% by weight of impurities
  • compositions of exemplary austenitic steels can be found in the tables above.
  • the inner or outer peripheries of the roller bearing elements 2 which form or cover the running surfaces for the rolling bodies 5 have a feature of at least one measure for the diffusion of carbon and / or nitrogen into them Near-surface regions of the rolling bearing element formed nitrogen and / or carbon-containing edge layer 6.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 can be seen particularly clearly from the enlarged view of the detail shown in Figure 1 Figure 2. It turns out that a carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 has formed with a substantially homogeneous layer thickness d.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 has, for example, a layer thickness d of about 20 ⁇ .
  • the austenitic basic structure 7 of the rolling bearing element 2 forming steel is also shown.
  • the edge layer 6 is formed, in particular, by means of a thermochemical treatment or a thermochemical process for the diffusion of carbon and / or nitrogen into regions of the roller bearing elements 2 which are close to the edges or near the surface.
  • the surface layer is formed by plasma annealing or plasma nitriding.
  • the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 therefore has a high hardness of more than 1000 HV, in particular in the range of 1200 HV, and, in particular, interstitial sites of the original microstructure 7 of the respective austenitic steel in terms of interstitial atoms thus an excellent wear resistance.
  • a corresponding rolling bearing element 2 can be produced, for example, by a manufacturing method described below for producing a rolling bearing element 2, in particular a rolling bearing ring 3, 4, with a boundary layer 6 containing carbon and / or nitrogen.
  • a rolling bearing element 2 made of a austenitic steel having a composition of 16-21% by mass of chromium, 16-21% by mass of manganese, 0.5% to 2.0% by mass of molybdenum, in total 0.8-1.1% by mass Carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is 0.5 to 1.1, 0.1 to 2.5 mass% of impurities caused by melting and a balance of mass of iron, the sum of all constituents being 100 mass% , provided.
  • a rolling bearing element 2 made of an austenitic steel, which has a composition of 16-21% by weight of chromium, 16-21% by weight of manganese, either greater than 2% molybdenum by weight or less than or equal to 2% by mass copper, or greater than or equal to 2% by mass molybdenum and zero , 25 to 2% by mass of copper, and more than 0.5% in total by weight of carbon and nitrogen, wherein the ratio of carbon to nitrogen is greater than 0.5, 0.1 to 2.5% by mass of impurities caused by fusion and a balance of iron by mass, wherein the sum of all components is 100 percent by mass.
  • compositions of exemplary austenitic steels can, as mentioned, be taken from the above-mentioned tables.
  • thermochemical treatment of the rolling bearing element 2 takes place in particular in the form of colosting and / or plasma carburizing and / or plasma nitriding and / or gas nitriding and / or gas nitrocarburizing.
  • thermochemical treatment at low temperatures in a temperature range of 250 to 550 ° C, in particular below 500 ° C, performed.
  • thermochemical treatment of the rolling bearing element 2 is typically carried out for a period of two to 24 hours, in particular 4 to 16 hours. In this way it is possible to regularly form layer thicknesses d of the corresponding carbon and / or nitrogen-containing edge layers 6 from 1 to 50 ⁇ m, preferably from 2.5 to 40 ⁇ m, particularly preferably from 5 to 25 ⁇ m. It is possible that at least one measure for work hardening, in particular cold forming, of the rolling bearing element 2 is carried out prior to carrying out the at least one measure for forming the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6, that is to say before carrying out the thermochemical treatment of the rolling bearing element 2 , This Ka Itverfest Trents Kunststoff may also be an integral part of the process according to the invention.
  • the property profile that is to say in particular the mechanical properties of the roller bearing element 2
  • the at least one measure for forming the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 can already be improved before the at least one measure for forming the carbon and / or nitrogen-containing edge layer 6 is carried out.
  • This combination of measures leads to a particularly advantageous component.
  • the material according to the invention causes the corrosion resistance
  • the work hardening to 650 - 730 HV
  • the surface treatment causes the wear resistance.
  • the austenite "carnit” can gain in hardness, at least in the surface layer, to a depth of approximately 1.5 mm up to 300 V.
  • Carbon and / or nitrogen-containing surface layer Carbon and / or nitrogen-containing surface layer

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Description

Bezeichnung der Erfindung
Wälzlagerelement, insbesondere Wälzlagerring Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Wälzlagerelement, insbesondere einen Wälzlagerring, welches Wälzlagerelement aus einem austenitischen Stahl gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager bzw. Wälzlagerelemente, wie insbesondere Wälzlagerringe, Wälzkörper, Wälzkörper aufnehmende Wälzkörperkäfige etc., werden bekanntermaßen in unterschiedlichen Gebieten der Technik eingesetzt. Dabei werden entsprechende Wälzlagerelemente im Betrieb regelmäßig hohen mechani- sehen und/oder korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt.
Bekannte Wälzlagerelemente werden beispielsweise aus nichtrostenden, mar- tensitischen Wälzlagerstählen mit darin eingelagerten Karbidphasen gebildet, welche jedoch gegenüber korrosiven Medien keine ausreichende Korrosions- beständigkeit aufweisen. Wälzlagerelemente aus höher legierten Stählen zeigen gegenüber korrosiven Medien eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, allerdings weisen diese im Vergleich in der Regel schlechtere mechanische Eigenschaften, insbesondere betreffend die Verschleißfestigkeit, auf, was auf deren homogene austenitische oder bei so genannten Duplexstählen ferritisch- austenitische Gefügestruktur zurückzuführen ist. Sonach ist das Eigenschaftsprofil bekannter Walzlagerelemente im Hinblick auf deren mechanische Eigenschaften, wie insbesondere Verschleißfestigkeit, Ü- berrollfestigkeit, als auch auf deren Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungen häufig nicht zufriedenstellend.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbes- sertes Wälzlagerelement anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Wälzlagerelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflä- chennahe Bereiche des Wälzlagerelements ausgebildete Stickstoff (N) und/oder Kohlenstoff (C) enthaltende Randschicht aufweist.
Durch die Ausbildung einer Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Randschicht weist das erfindungsgemäße Wälzlagerelement sowohl im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc., als auch auf seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Medien, das heißt insbesondere in Chlorid- haltigen Medien, wie in Meerwasser oder dergleichen, ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wälzlagerelement sonach auch für eine so genannte Medienschmierung, bei welcher die Schmierung des das erfindungsgemäße Wälzlagerelement umfassenden Wälzlagers nicht über Schmiermittel wie Schmierfette bzw. Schmieröle, sondern über die jeweilige Systemflüssigkeit des Einsatzorts des Wälzlagers erfolgt, geeignet. Medienge- schmierte Wälzlager werden z. B. eingesetzt, wenn das Wälzlager abdichtende Dichtungen unerwünscht sind und/oder aufgrund von Kontaminationsgefahr auf gängige Schmiermittel verzichtet werden soll. Bisher war insbesondere die Medienschmierung mit wässrigen Lösungen problematisch, als mit wässrigen Lösungen, insbesondere auch unter hochdynamischen Bedingungen, die Bildung eines ausreichend tragfähigen Schmierfilms zwischen den Wälzkörpern und den Wälzlagerlagerringen des Wälzlagers kaum möglich ist.
Sonach kann das erfindungsgemäße Wälzlagerelement aus einem austeniti- schen Stahl mit einer Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmel- zungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, gebildet sein.
Das erfindungsgemäße Wälzlagerelement ist aus von Haus aus aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahl gebildet. Zwei mögliche Stahlvarianten werden im Folgenden beschrieben. Zwei Beispiele für konkrete Zusammensetzungen des vorgenannten Stahls ergeben sich aus nachfolgender Tabelle. Die Angaben beziehen sich jeweils auf Masseprozent.
Figure imgf000005_0001
Ferner ist jeweils ein Rest an Eisen (Fe) und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei Letztere einen Gesamtgehalt von nicht größer als 2,5 Masseprozent aufweisen, enthalten, so dass sich jeweils insgesamt 100 Masseprozent ergeben. Alternativ kann das erfindungsgemäße Wälzlagerelement aus einem austeniti- schen Stahl mit einer Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Mo- lybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, gebildet sein.
Vier Beispiele für konkrete Zusammensetzungen des vorgenannten Stahls sind in folgender Tabelle gegeben. Die Angaben beziehen sich jeweils auf Masseprozent.
Figure imgf000006_0001
Ferner ist jeweils ein Rest an Eisen (Fe) sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei Letztere einen Gesamtgehalt von bis zu 2,5 Masseprozent aufweisen, enthalten, so dass sich jeweils insgesamt 100 Masseprozent ergeben.
Die genannten Stähle zeichnen sich, wie erwähnt, einerseits durch eine von Haus auf gute Korrosionsbeständigkeit aus, indes zeigen diese von Haus aus eine vergleichsweise geringe Verschleißfestigkeit. Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die hohe Löslichkeit der Stähle für Fremdatome. Sonach ist es möglich, dass unter geeigneten Bedingungen Fremdatome, insbesondere Kohlenstoff und/oder Stickstoff, in die Gefügestruktur der Stähle eindiffundieren können. Derart lässt sich die eingangs genannte Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht in den rand- bzw. oberflächennahen Bereichen des Wälzlagerelements bilden.
Die durch die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die Gefüge- struktur gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht führt zu einer Art Mischkristallverfestigung im Bereich der Randschicht, welche insbesondere auf eine Aufweitung der austenitischen Gefügestruktur durch die Einbringung der Kohlenstoff und/oder Stickstoffatome zurückzuführen ist. Derart ist eine hohe Härte der Randschicht gegeben.
Eine Gefügeveränderung des Wälzlagerelements im Bereich der wie beschrieben ausgebildeten Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht ist in der Regel nicht gegeben, da die in die Stähle eindiffundierten Fremdatome Kohlenstoff und/oder Stickstoff dort insbesondere als Interstitionsatome zwi- sehen den eigentlichen Gitterplätzen der Gefügestruktur vorliegen bzw. angeordnet sind. Mithin bleibt die austenitische Gefügestruktur der Stähle auch im Bereich der gebildeten Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht im Wesentlichen erhalten. Grundsätzlich lässt sich die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht von dem übrigen Gefügematerial des Wälzlagerelements sonach durch entsprechende auf Zwischengitterplätzen angeordnete Kohlenstoffatome und/oder Stickstoffatome abgrenzen. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht kann auch als der Bereich des Wälzlagerelements ver- standen werden, in welchem durch die Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements eine zusätzliche Eindiffusion von Koh- lenstoff und/oder Stickstoff erfolgt ist, wobei die eindiffundierten Kohlenstoff- atome und/oder Stickstoffatome bevorzugt auf Zwischengitterplätzen lokalisiert sind. Der Unterschied zwischen der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht und dem übrigen Gefüge des Wälzlagerelements zeigt sich besonders deutlich im Schliffbild.
Die derart gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht ist zudem weitgehend ausscheidungsfrei. Die Korrosionsbeständigkeit der Stähle verbessernde Legierungselemente wie insbesondere Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Stickstoff (N) werden durch die zusätzliche Einbringung bzw. Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff nicht oder nur geringfügig in Karbid- oder Nitridverbindungen gebunden. Demnach nimmt die Einbringung von Kohlenstoff und/oder Stickstoff zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht keinen wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Stähle.
Insbesondere kann sogar eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit im Bereich der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht möglich sein, was sich durch die Einbringung von zusätzlichem Stickstoff und/oder der Ausbildung einer stabilen, eine Passivierung gegenüber korrosiven Medien gewährleistenden Passivschicht im Sinne einer zusätzlichen Oberflächenpas- sivierung des Wälzlagerelements erklären lässt. Entsprechende Versuche zeigten z. B., dass durch die Ausbildung einer Kohlenstoff enthaltenden Randschicht eine merkliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer 3,5%-igen NaCI-Lösung möglich ist. Im Vergleich zu Proben ohne entsprechende Randschicht wurde für Proben mit einer Kohlenstoff enthaltenden Randschicht ein Anstieg des Lochkorrosionspotentials von 500 mV (gegen Ag/AgCI) auf knapp 1 V gemessen. Unter einem erfindungsgemäßen Wälzlagerelement ist beispielsweise ein Wälzlagerring, ein zwischen entsprechenden Wälzlagerringen wälzender Wälzkörper oder ein Wälzkörperkäfig zur Aufnahme entsprechender Wälzkörper zu verstehen. Bezogen auf als Wälzlagerringe vorliegende Wälzlagerele- mente ist die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht sonach wenigstens abschnittsweise, insbesondere komplett, am Außen- und/oder Innenumfang des Wälzlagerrings und sonach insbesondere in dem im Betrieb hoch beanspruchten, die Wälzkörperlaufbahnen umfassenden Bereich des Wälzlagerrings ausgebildet.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht lässt sich im Übrigen von dem übrigen Material des Wälzlagerelements derart abgrenzen, dass diese einen im Vergleich höheren Anteil an Kohlenstoff und/oder Stickstoff aufweist, was sich z. B. anhand von Schliffbildern darstellen lässt.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht ist erfindungsgemäß durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements ausgebildet. Mithin kann in Abhängigkeit der jeweiligen im Rahmen der Maßnahme zur Dif- fusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements konkret ausgewählten Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements respektive die jeweils in diesem Zusammenhang verwendeten Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Dauer, Konzentration des Kohlenstoff und/oder Stickstoffgehalts einer gegebenenfalls notwendigen Kohlenstoff und/oder Stickstoffatmosphäre gezielt Einfluss auf die auszubildende bzw. ausgebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht des Wälzlagerelements genommen werden. Insbesondere sind derart die Eindringtiefe der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome sowie die Konzentration der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome in der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht prozesstechnisch beeinflussbar bzw. kontrollierbar. Beispielsweise ist es bei der Durchführung der Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die oberflächennahen Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht, möglich, durch die Einstellung einer geeigneten Temperatur, das heißt insbesondere einer Temperatur unterhalb 500°C, keine, insbesondere auf das temperaturbedingte Wandern von Versetzungen zurückzuführende, negative Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des das Wälzlagerelement bildenden austenitischen Stahls zu riskieren. Sonach können die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc. des eingesetzten Stahls im Wesentlichen erhalten bleiben.
Weiterhin ist durch eine geeignete, vergleichsweise niedrige Prozesstemperatur auch eine negative Beeinflussung der Abmessungen bzw. Maße als auch der Oberflächengüte, das heißt insbesondere der Rauhigkeit des Wälzlager- elements ausgeschlossen oder nur in geringfügigem Ausmaß zu verzeichnen.
Als entsprechende Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements kommt insbesondere eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements in Frage, das heißt die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht beruht vorteilhaft auf einer ther- mochemischen Behandlung des Wälzlagerelements.
Durch eine geeignete Prozessauswahl und Prozessführung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht kann diese insbesondere Härten im Bereich von 800 - 1500 HV (Härte Vickers), insbesondere größer 900 HV, aufweisen. Grundsätzlich sind dabei möglichst hohe Härten der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht anzustreben, da diese einen wesentlichen Einfluss auf die Verschleißfestigkeit des Wälzlagerelements haben. Selbstverständlich kann die Härte der Kohlenstoff und/oder Stickstoff ent- haltenden Randschicht in Ausnahmefällen oder abschnittsweise auch unterhalb 800 HV bzw. oberhalb 1500 HV liegen.
Gleichermaßen lässt sich durch eine geeignete Prozessauswahl und Prozess- führung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht deren Schichtdicke einstellen. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht kann sonach beispielsweise eine Schichtdicke von 1 bis 50 μιτι, bevorzugt von 2,5 bis 40 μιτι, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μιτι, aufweisen. Selbstverständlich kann die Schichtdicke der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht in Ausnahmefällen oder abschnittsweise auch unterhalb 2,5 μιτι bzw. oberhalb 40 μιτι liegen. Das erfindungsgemäße Wälzlagerelement lässt sich durch nachfolgend beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements, insbesondere eines Wälzlagerrings, mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht herstellen, welches sonach ebenso einen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellen eines Wälzlagerelements aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbe- dingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist oder
- Bereitstellen eines Wälzlagerelements, aus einem austenitischen Stahl, wel- eher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, und
- Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht. Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gelten grundsätzlich obige Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Wälzlagerelement, das heißt insbesondere sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht respektive deren Ausbildung, das heißt der oder den Maßnahmen zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements analog.
Als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht wird bevorzugt eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements durchgeführt. Hierzu kommen insbesondere folgende Prozesse zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements in Frage: Kolsterisieren, Plasmaaufkohlen, Plasmanitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrocarburieren. Die Prozesse können gegebenenfalls auch kombiniert bzw. zeitlich nacheinander durchgeführt werden.
Unter Kolsterisieren wird im Allgemeinen eine Eindiffusion von Kohlenstoff in das zu behandelnde Material bei Temperaturen unterhalb 300°C verstanden, wobei der Kohlenstoff in Zwischengitterplätzen des Ausgangsmaterials gelöst wird, was zu Druckspannungen und derart zu einer hohen Härte (größer 1000 HV (Härte Vickers)) führt. Eine Plasmaaufkohlung dient unter Einsatz eines Plasmas zur Eindiffusion von Kohlenstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche des aufzukohlenden Materials. Gleichermaßen kann derart aufgrund der Einbringung von auf die Einlagerung von Kohlenstoff zurückzuführenden Druckspannungen eine hohe Härte erreicht werden.
Gleiches gilt im Wesentlichen für eine Plasmanitrierung, wobei hier selbstverständlich nicht Kohlenstoff, sondern Stickstoff in das zu behandelnde Ausgangsmaterial eindiffundiert wird.
Gasnitrieren ist ein thermochemisches Verfahren, bei dem das zu behandelnde, das heißt insbesondere zu härtende Material temperiert und dabei einem Stickstoff enthaltenden Gas wie z. B. Ammoniak (NH3) ausgesetzt wird, welches sodann zur Eindiffusion von Stickstoff in das Ausgangsmaterial führt.
Beim Gasnitrocarburieren, bei welchem eine Eindiffusion von Kohlenstoff und Stickstoff in das zu behandelnde Material erreicht wird, wird das zu behandelnde Material zusätzlich einem Kohlenstoff enthaltenden Gas wie z. B. CO2, das heißt insgesamt einem Gasgemisch aus einem Stickstoff und einem Kohlen- stoff enthaltenden Gas ausgesetzt und entsprechend temperiert.
Im Rahmen von Versuchen zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht an entsprechenden Wälzlagerelementen zeigte sich, dass durch Plasmanitrieren besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf die Ausbildung einer Stickstoff enthaltenden Randschicht an entsprechenden Wälzlagerelementen erzielbar sind.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die thermochemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, vorzugswei- se unterhalb von 450°C oder von 400°C durchgeführt wird. Durch die Einstellung der im Rahmen der thermochemischen Behandlung anliegenden Temperatur kann gezielt Einfluss auf die Kinetik der Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in den Rand- bzw. Oberflächenbereich des Wälzlagerele- ments genommen und so gezielt ein bestimmtes Eigenschaftsspektrum der zu bildenden Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht eingestellt werden. Durch die vergleichsweise niedrigen Temperaturen können tempera- turbedingte Einflüsse auf die Maßhaltigkeit und/oder Oberflächengüte bzw. Rauhigkeit des Wälzlagerelements ausgeschlossen oder zumindest in einem tolerierbaren Ausmaß gehalten werden. Selbstverständlich kann die thermo- chemische Behandlung in Ausnahmefällen und/oder zeitweise auch unterhalb 200°C oder oberhalb 550°C durchgeführt werden.
Die thermochemische Behandlung kann insbesondere für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt werden. Ähnlich wie bei der Einstellung der im Rahmen der Durchführung der thermochemi- schen Behandlung anliegenden Temperatur kann auch durch die Einstellung der Dauer bzw. Prozesszeit gezielt Einfluss auf die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in den Rand- bzw. Oberflächenbereich des Wälzlagerelements genommen und so gezielt ein bestimmtes Eigenschaftsspektrum der zu bildenden Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht eingestellt werden. Selbstverständlich kann die thermochemische Behandlung in Aus- nahmefällen auch kürzer als zwei Stunden oder länger als 24 Stunden durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann die Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht derart durchgeführt werden, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 50 μιτι, bevorzugt von 2,5 bis 40 μιτι, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μιτι, ausbildet. In Ausnahmefällen kann die Schichtdicke der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht auch unterhalb 1 μιτι oder oberhalb 40 μιτι liegen.
Es ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass vor dem Durchführen der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht wenigstens eine Maßnahme zur Kaltverfestigung, insbesondere ein Kaltumformen, des Wälzlagerelements durchgeführt wird. Unter dem zu den Maßnahmen zur Kaltverfestigung eines metallischen Materials zählenden Kaltumformen ist das plastische Umformen metallischer Materialien bei einer Temperatur deutlich unterhalb deren jeweiliger Rekristallisationstemperatur zu verstehen. Die plastische Umformung des Materials erhöht die Versetzungsdichte innerhalb des Materials und bedingt derart eine Erhöhung der Härte. Derart können bereits vor der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführenden Durchführung der wenigs- tens einen Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht die mechanischen Eigenschaften des Wälzlagerelements erhöht werden, welche sodann, das heißt nach Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht nochmals erhöht bzw. verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Wälzlager, umfassend mehrere Wälzlagerelemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und
Figur 2 Vergrößerung der in Figur 1 gezeigten Einzelheit.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Figur 1 zeigt ein Wälzlager 1 , umfassend mehrere Wälzlagerelemente 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Ersichtlich liegt das Wälzlager 1 als Kugellager vor. Die Wälzlagerelemente 2 sind als Wälzlagerringe 3, 4 ausgebildet zwischen welchen Wälzkörper 5 wälzen.
Die als Wälzlagerringe 3, 4 ausgebildeten Wälzlagerelemente 2 sind aus einem austenitischen Stahl gefertigt, welcher Stahl eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist. Alternativ kann eines der Wälzlagerelemente 2 oder können beide Wälzlagerelemente 2 auch aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masse- prozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet sein.
Konkrete Zusammensetzungen beispielhafter austenitischer Stähle können aus den oben genannten Tabellen entnommen werden.
Die die Laufflächen für die Wälzkörper 5 bildenden oder diese umfassenden Innen- bzw. Außenumfänge der Wälzlagerelemente 2 weisen eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements gebildete Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltende Randschicht 6 auf.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 ist besonders deutlich auch aus der die vergrößerte Darstellung der in Figur 1 gezeigten Einzelheit zeigenden Figur 2 ersichtlich. Es zeigt sich, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 mit einer weitgehend homogenen Schichtdicke d gebildet hat. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 hat beispielsweise eine Schichtdicke d von ca. 20 μιτι. Das austenitische Grundgefüge 7 des das Wälzlagerelement 2 bildenden Stahls ist ebenso dargestellt.
Die Randschicht 6 ist insbesondere mittels einer thermochemischen Behandlung respektive eines thermochemischen Prozesses zur Eindiffusion von Koh- lenstoff und/oder Stickstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche der Wälzlagerelemente 2 gebildet. Beispielsweise ist die Randschicht durch Plasmaauf- kohlung oder Plasmanitrieren gebildet.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 weist sonach durch den eindiffundierten, insbesondere auf Zwischengitterplätzen der ursprünglichen Gefügestruktur 7 des jeweiligen austenitischen Stahls im Sinne von Interstitionsatomen angeordneten Kohlenstoff bzw. Stickstoff eine hohe Härte oberhalb 1000 HV, insbesondere im Bereich von 1200 HV, und somit eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf.
Der Verbund zwischen der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 und dem übrigen Material bzw. Grundgefüge 7 des jeweiligen Wälzlagerelements 2 ist sehr gut, da die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 nicht als Beschichtung auf das Wälzlagerelement 2 aufgebracht, sondern unmittelbar aus dem das Wälzlagerelement 2 bildenden Stahl bzw. Grundgefüge 7 des Stahls gebildet wurde. Ein entsprechendes Wälzlagerelement 2 kann beispielsweise durch ein nachfolgend beschriebenes Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Wälzla- gerelements 2, insbesondere eines Wälzlagerrings 3, 4, mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 hergestellt werden.
Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Wälzlagerelement 2 aus einem aus- tenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Ver- hältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, bereitgestellt. Denkbar ist auch die Bereitstellung eines Wälzlagerelements 2, aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist.
Konkrete Zusammensetzungen beispielhafter austenitischer Stähle können, wie erwähnt, aus den oben genannten Tabellen entnommen werden.
Nach der Bereitstellung des Wälzlagerelements 2 wird wenigstens eine Maß- nähme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements 2 zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 durchgeführt. Als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 wird dabei eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements 2 durchgeführt. Die thermochemische Behandlung des Wälzla- gerelements 2 erfolgt insbesondere in Form von Kolsterisieren und/oder Plasmaaufkohlen und/oder Plasmanitrieren und/oder Gasnitrieren und/oder Gas- nitrocarburieren.
Um die Abmessungen sowie die Oberflächengüte, das heißt insbesondere die Rauhigkeit des Wälzlagerelements 2 nicht negativ zu beeinflussen, wird die thermochemische Behandlung bei niedrigen Temperaturen in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, durchgeführt.
Die thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements 2 wird typischerwei- se für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt. Derart lassen sich regelmäßig Schichtdicken d entsprechender Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltender Randschichten 6 von 1 bis 50 μιτι, bevorzugt von 2,5 bis 40 μιτι, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μιτι, ausbilden. Es ist möglich, dass vor dem Durchführen der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6, das heißt vor der Durchführung der thermochemischen Behandlung des Wälzlagerelements 2 wenigstens eine Maßnahme zur Kaltverfestigung, insbesondere ein Kaltumformen, des Wälzlagerelements 2 durchgeführt wird. Dieser Ka Itverfestigungsschritt kann ebenfalls ein wesentlicher Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Derart kann das Eigenschaftsprofil, das heißt insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Wälzlagerelements 2 bereits vor Durchführung der der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 verbessert werden. Diese Maßnahmenkombination führt zu einem besonders vorteilhaften Bauteil. Der erfindungsgemäße Werkstoff bewirkt die Korrosionsbeständigkeit, die Kaltverfestigung (auf 650 - 730 HV) bewirkt die Wälzlager-Überrollfestigkeit, wäh- rend die Randschichtbehandlung die Verschleißfestigkeit bewirkt. Im Gegensatz zu Martensiten und Standard-Austeniten kann der Austenit„Carnit" zumindest in der Randschicht bis in eine Tiefe von ca. 1 ,5 mm bis zu 300 HV an Härte gewinnen. Im Gegensatz zu Martensiten kann eine weitgehend ausschei- dungsfreie Randschicht bis ca. 50μηη thermochemisch eingestellt werden. Typisch ist die hohe Löslichkeit an Interstitionsatomen in vielen Austeniten. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Werkstoff ist diese Eigenschaft aufgrund seines hohen Mn-Gehalts besonders gut ausgeprägt. Im Gegensatz zu vielen Martensiten und einigen Austeniten reduziert sich die Härte aufgrund von Erho- lungen bei der thermochemischen Randbehandlung im Temperaturbereich von 250 - 550°C nicht, so dass ein hervorragende Eigenschaften aufweisendes Wälzlagerelement erhalten wird.
Bezugszahlenliste
Wälzlager
Wälzlagerelement
Wälzlagerring
Wälzlagerring
Wälzkörper
Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht
Gefügestruktur

Claims

Patentansprüche
Wälzlagerelement (2), insbesondere Wälzlagerring (3, 4), welches Walzlagerelement (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) aufweist.
Wälzlagerelement (2), insbesondere Wälzlagerring (3, 4), welches Wälzlagerelement (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) aufweist. Wälzlagerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Härte von 800 - 1500 HV, insbesondere größer 900 HV, aufweist.
Wälzlagerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Schichtdicke (d) von 1 bis 50 μιτι, bevorzugt von 2,5 bis 40 μιτι, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μιτι, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements (2), insbesondere eines Wälzlagerrings (3, 4), mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6), gekennzeichnet durch die Schritte:
- Bereitstellen eines Wälzlagerelements (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1 ,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1 ,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist oder
- Bereitstellen eines Wälzlagerelements (2), aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16 - 21 Masseprozent Chrom, 16 - 21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist,
- Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerele- ments (2) zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6) eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Behandlung für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6) derart durchgeführt wird, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) mit einer Schichtdicke (d) von 1 bis 50 μιτι, bevorzugt von 2,5 bis 40 μιτι, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μιτι, ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Ausbildung der Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Randschicht (6) Kolsterisieren und/oder Plasmaaufkohlen und/oder Plasmanitrieren und/oder Gasnitrieren und/oder Gasnitrocar- burieren durchgeführt wird.
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