Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Behandlung eines Eisen Werkstoffs, insbesondere eines Lagerwerkstoffs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil aus einem behandelten Eisen Werkstoff, insbesondere ein Maschinenbauelement mit Wälzkontakt, insbesondere ein Teil eines Wälzlagers.

Bei Lagerelementen beispielsweise im Automobilbereich (Radlager), in Getrieben von Windkraftanlagen, in Hydraulikmaschinen (Axialkolbenmaschinen, Einspritzpumpen) oder in der Schienentechnik (Eisenbahnschienen) werden seit etwa 15 Jahren

Schädigungen durch sogenannte White-Etching-Cracks wahrgenommen. Derartige WECs sind beispielsweise in der Druckschrift EP 2 573 195 A1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um Schädigungen bei Lagerelementen, die sich im metallischen Lagerwerkstoff durch metallographisch weiß anätzende Bereiche bilden. Diese treten hierbei in der Nähe von Rissen oder Einschlüssen unter einer Ober- beziehungsweise Lagerfläche im Bereich eines Wälzkontaktes des Lagerelements auf. Diese WECs werden auch als White-Etching-Areas (WEA), als White-Structure-Flaking (WSF) oder Butterfly bezeichnet. Im Schädigungsfall sinkt eine erwartete Lebensdauer des

Lagerelements derart, dass sie lediglich etwa 10 % der üblicherweise erwarteten Lebensdauer beträgt. Ein Mechanismus der WEC-Schädigung ist in der Ursache nicht klar bekannt und erforscht.

Aus der DE 10 2008 021 963 A1 ist bekannt, zur Steigerung einer Randhärte im

Bereich einer Wälzkörperlauffläche eines Lagerbauteils wie Lagerring, Hülse oder Büchse eine Aufstickung vorzusehen. Diese kann durch eine thermochemische

Behandlung oberhalb einer Austenitisierungstemperatur des Lagerwerkstoffs erfolgen. Das Lagerbauteil ist aus einem Kaltband eines hochlegierten Stahls mit mindestens 12% Chrom hergestellt. Bei der Wärmebehandlung des Lagerbauteils wird angestrebt, dass sich möglichst keine Nitride ausscheiden. Zum Aufsticken wird Stickstoff als Reaktionsgas und nicht Ammoniak verwendet. Die zugehörigen Wälzkörper sind aus einem beschichteten Wälzlagerstahl oder aus Keramik hergestellt. Eingesetzt werden sollen die Lagerelemente in korrosiver Umgebung oder bei Mangelschmierung.

Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine thermochemische

Behandlung zur Aufstickung eines Lagerwerkstoffs unterhalb einer

Austenitisierungstemperatur von Eisen Werkstoffen auszuführen, wobei es sich um Nitrieren, Nitrocarburieren oder N-Quensch handeln kann. Hierbei ist nachteilig, dass ein derartiges Verfahren äußerst zeitintensiv ist. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass sich bei einem derartigen Verfahren an einer Oberfläche des Lagerwerkstoffs eine als Verbindungsschicht bezeichnete Eisennitridschicht ausbildet, die nachteilig äußerst spröde ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur

Behandlung eines Eisen Werkstoffs zu schaffen, mit dem eine WEC-Resistenz

verbessert ist und das einen geringen Zeitaufwand benötigt. Des Weiteren ist es

Aufgabe der Erfindung, einen Eisenwerkstoff so zu verändern, dass er eine verbesserte WEC-Resistenz aufweist und vergleichsweise schnell herstellbar ist.

Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird gelöst gemäß den Merkmalen des

Anspruchs 1 und hinsichtlich des Eisenwerkstoffs gemäß den Merkmalen des

Anspruchs 12.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Behandlung eines Eisenwerkstoffs,

insbesondere zur Verwendung als Werkstoff für ein Maschinenelement mit Wälzkontakt, vorgesehen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Der Eisenwerkstoff wird mit Stickstoff in einer ersten Stufe aufgestickt, wobei dies mit einer ersten Temperatur erfolgt, die oberhalb einer Austenitisierungstemperatur des Eisenwerkstoffs liegt. Bei der Austenitisierungstemperatur handelt es sich um die Temperatur, die zum Austenitisieren eines Eisen Werkstoffs gehalten wird. Die

Temperatur, bei der der Eisen Werkstoff vollständig austenitisiert vorliegt, hängt vom Kohlenstoffgehalt im Eisen Werkstoff ab. Austen it besitzt kubisch-flächenzentriertes Raumgitter, das bei Eisen Werkstoffen etwa ab einer Temperatur von 723° C entsteht, wobei eine Umwandlung umso schneller erfolgt, je höher die Temperatur ist. - In einem weiteren Schritt wird der Eisenwerkstoff einer abgesenkten Temperatur ausgesetzt, die zwischen der ersten Temperatur und der Austenitisierungstemperatur des Eisenwerkstoffs liegt, so dass zumindest eine Teilmenge des im ersten Schritt interstitiell gelösten Stickstoffs in Form von Nitriden innerhalb der Matrix des

Eisenwerkstoffs ausgeschieden wird.

Bei der niedrigeren Temperatur ist die Löslichkeit von Stickstoff im Austenit geringer als bei der Temperatur der ersten Stufe, so dass der Teil des Stickstoffs, der jetzt nicht mehr löslich ist, als Nitrid ausgeschieden wird. Zusätzlich kann im zweiten Schritt durch ein geeignetes Stickstoff potential der Ofenatmosphäre einer Entstickung an der Oberfläche entgegengewirkt werden. Die Behandlung bei der abgesenkten Temperatur kann jedoch grundsätzlich auch ohne einen Stickstoffspender in der umgebenden Atmosphäre geschehen.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine unterschiedliche Löslichkeit des Stickstoffs bei unterschiedlichen Temperaturen genutzt wird. In der ersten Stufe wird der

Eisenwerkstoff oberhalb der Löslichkeitsgrenze von Stickstoff innerhalb des

Mischkristalls aufgestickt. In der zweiten Stufe erfolgt dann eine Behandlung bei niedriger Temperatur, wo sich die Löslichkeit des Stickstoffs innerhalb des

Mischkristalls reduziert. Dabei wird jetzt nicht mehr löslicher Stickstoff in Form von Nitriden innerhalb einer Matrix des Eisenwerkstoffs ausgeschieden. Durch die ausgeschiedenen Nitride sind Eigenschaften des Eisen Werkstoffs hinsichtlich einer WEC-Resistenz verbessert. Der Eisenwerkstoff mit den Nitridausscheidungen hat eine höhere Festigkeit, ist härter und zäher und ist bei höheren Temperaturen stabiler. Diese Eigenschaften machen den behandelten Eisen Werkstoff ganz besonders geeignet für eine Verwendung für Maschinenelemente mit Wälzkontakt, insbesondere für Teile von Wälzlagern. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass das Verfahren, insbesondere bei der Aufstickung einer Randschicht des Eisenwerkstoffs, äußerst schnell erfolgen kann, insbesondere wesentlich schneller als bei herkömmlichen Nitrier- oder

Nitrocarburierverfahren, die Nitridausscheidungen unterhalb der

Austenitisierungstemperatur von Eisen Werkstoffen erzeugen. Außerdem ist vorteilhaft, dass im Unterschied zum Stand der Technik sich unter der zwangsweisen Ausscheidung der Nitride innerhalb der aufgestickten Randschicht des Eisenwerkstoffs keine spröde Eisennitridschicht an einer Oberfläche des Eisen Werkstoffs bildet. Somit kann festgestellt werden, dass Eigenschaften eines Bauteils, das aus diesem

Eisenwerkstoff gebildet ist, durch die Ausscheidung der Nitride verbessert sind.

Vorteilhafterweise ist eine Löslichkeit des Stickstoffs innerhalb des Eisenwerkstoffs in der zweiten Stufe geringer als in der ersten Stufe. Löslich bedeutet, dass Fremdatome, wie Nitride, auf Zwischengitterplätzen (interstitiell) eingelagert werden.

Bevorzugterweise erfolgt die Aufstickung in der ersten Stufe derart, dass der Stickstoff im Wesentlichen vollständig, insbesondere in einem Randbereich des Eisenwerkstoffs, in dem Eisen Werkstoff gelöst wird. In der zweiten Stufe kann dann zumindest eine Teilmenge des in der ersten Stufe aufgestickten Stickstoffs innerhalb der Matrix des Eisenwerkstoffs ausgeschieden werden. Die Ausscheidung erfolgt hierbei vorzugsweise in Form von Nitriden.

Es ist denkbar, dass zwischen der ersten und der zweiten Stufe eine zusätzliche

Temperaturänderung erfolgt. Somit sinkt die Temperatur nicht nur von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur, sondern die Temperaturänderung kann derart sein, dass eine Härtung und/oder Normalisierung des Eisenwerkstoffs erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Eisen Werkstoff nach dem zweiten Schritt wärmebehandelt, wie beispielsweise gehärtet, bainitisiert oder normalisiert.

Somit können die Eigenschaften des Eisen Werkstoffs durch verschiedene nachfolgende Wärmebehandlungen modifiziert werden.

Eine Tiefe der Aufstickung im Eisenwerkstoff kann über eine Aufstickungszeit eingestellt werden.

Bei dem Eisen Werkstoff handelt es sich beispielsweise um einen Vergütungsstahl, einen Einsatzstahl, einen Nitrierstahl, einen Automatenstahl, einen Wälzlagerstahl, einen Werkzeugstahl, einen nicht rostenden Stahl, einen mikrolegierten Stahl oder einen Stahl- und Eisenguss in verschiedenen Gefügezuständen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Eisenwerkstoff um einen solchen, der für Maschinenbauelemente mit Wälzkontakt, insbesondere für Wälzlager verwendet wird, da das Verfahren zu für den genannten Einsatz besonders vorteilhaften Eigenschaften führt, wie beispielsweise erhöhte WEC-Resistenz, höhere Festigkeit, und höhere Härte und Zähigkeit. Bei dem Eisenwerkstoff, der für ein Teil eines Wälzlagers verwendet wird, kann es sich beispielsweise um einen Standard stahl 100Cr6 oder einen Einsatzstahl 22CrMoS3-5 handeln.

Die Aufstickung erfolgt zur Erreichung der gewünschten Stickstoffgehalte und -profile innerhalb der Randschicht des Eisen Werkstoffs vorzugsweise unter einer Regelung eines Stickstoffpotenzials in einer den Werkstoff umgebenden Atmosphäre, womit die Aufstickung kontrolliert und zuverlässig durchgeführt werden kann.

Zusätzlich oder alternativ zur Regelung des Stickstoff Potenzials kann die Aufstickung unter einer Regelung eines Kohlenstoffpotenzials in einer den Lagerwerkstoff umgebenden Atmosphäre erfolgen. Die parallele Regelung des Kohlenstoff Potenzials in der Atmosphäre beugt Entkohlungen vor beziehungsweise ermöglicht eine Aufkohiung der Randschicht parallel zur Aufstickung.

Das Verfahren wird vorzugsweise an einem Teil aus einem Eisen Werkstoff angewandt, dass seine Endkontur schon besitzt oder nur noch wenig mechanisch bearbeitet werden muss, zum Beispiel nur noch geschliffen werden muss.

Erfindungsgemäß ist ein Eisen Werkstoff vorgesehen, der nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Aspekte hergestellt ist.

Die Erfindung zeigt sich auch in einem Maschinenbauelement mit Wälzkontakt aus einem Eisen Werkstoff, der nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche behandelt worden ist.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer

Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand der Figur dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. Die Figur zeigt in einem Ablaufdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren.

Das Ablaufdiagramm in der Figur zeigt einen beispielhaften Ablauf eines

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung eines zumindest weitgehend seine Endkontur aufweisenden Teils aus einem Eisenwerkstoff. Bei diesem handelt es sich um einen Lagerwerkstoff, wie 22CrMoS3-5. Auf einer Ordinate des Ablaufdiagramms ist eine Temperatur T und auf einer Abszisse eine Zeit t aufgetragen. Das Verfahren wird zweistufig ausgeführt mit einer ersten Stufe 1 und einer zweiten Stufe 2. Zwischen den Stufen 1 und 2 ist eine Zwischenstufe 4 vorgesehen. Die Temperatur in der ersten Stufe liegt oberhalb einer Austenitisierungstemperatur von Eisenwerkstoffen, wie

beispielsweise 940°C. In der ersten Stufe 1 wird der Lagerwerkstoff in einer

stickstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere in einer Atmosphäre, die Ammoniak enthält, aufgestickt. Die Temperatur in der ersten Stufe ist hierbei derart gewählt, dass der Stickstoff in dem Lagerwerkstoff im Wesentlichen nur in gelöster Form vorliegt, wobei eine Stickstoff lösl ich keit beispielsweise etwa 0,92 % von der Masse des

Lagerwerkstoffs beträgt. Da die Aufstickung bei einer vergleichsweisen hohen

Temperatur erfolgt, lagert sich der Stickstoff äußerst schnell in einen Randbereich des Lagerwerkstoffs ein.

Nach der ersten Stufe 1 wird die Temperatur für die zweite Stufe 2 gesenkt und beträgt beispielsweise etwa 820°C, womit sie ebenfalls über der Austenitisierungstemperatur des Lagerwerkstoffs liegt. Durch die geringere Temperatur T in der zweiten Stufe 2 sinkt die Löslichkeit des bereits in dem Lagerwerkstoff eingelagerten Stickstoffs, wobei die Stickstofflöslich keit beispielsweise etwa 0,29 % von der Masse des Lagerwerkstoffs betragen kann. Somit reduziert sich die Löslichkeit des Stickstoffs innerhalb des

Mischkristalls des Lagerwerkstoffs. Nicht mehr löslicher Stickstoff wird dann in Form von Nitriden, beispielsweise Dichromnitrid, innerhalb einer Matrix des Lagerwerkstoffs ausgeschieden. Der Lagerwerkstoff hat hierdurch im aufgestickten Bereich,

insbesondere im Randbereich, eine höhere Festigkeit, ist härter und zäher und auch bei höheren Temperaturen äußerst stabil. Zwischen den Stufen 1 und 2 kann in der Zwischenstufe 4 vorteilhafterweise eine weitere Temperaturänderung erfolgen, um den Lagerwerkstoff beispielsweise zu härten oder zu normalisieren.

Offenbart ist ein Verfahren zur thermochemischen Aufstickung eines Lagerwerkstoffs mit zwei Stufen. In beiden Stufen wird der Lagerwerkstoff oberhalb einer

Austenitisierungstemperatur aufgestickt. Eine Temperatur in der ersten Stufe ist hierbei höher als eine Temperatur in der zweiten Stufe.

Bezugszeichenliste

1 erste Stufe

2 zweite Stufe

4 Zwischenstufe T Temperatur t Zeit