Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kettenelements, ein gemäß dem Verfahren gebildetes Kettenelement sowie eine Kette.

Typische Ketten für Automobil-Anwendungen sind hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit inzwischen an ihrer Leistungsgrenze angelangt. Das liegt einerseits daran, dass bevorzugt kostengünstige Standardmaterialien eingesetzt werden und andererseits erprobte Wärmebehandlungsverfahren zum Einsatz kommen.

Kettenelemente der eingangs genannten Art und Verfahren zu deren Herstellung sind aus der EP 2 660 340 A1 bekannt. Ein Bauteil aus Stahl wird dort in einem ersten Schritt karburiert oder karbonitriert, dann getempert und schließlich induktiv gehärtet. Weiterhin kann sich daran ein Tempern im Temperaturbereich von 130 bis 220°C zum Abbau von Spannungen im Bauteil anschließen. Das Bauteil ist unter anderem als Kettenelement einsetzbar.

Die DE 10 2013 224 851 A1 offenbart ein Kettenelement aus Stahl umfassend eine Kernschicht mit einem Gefüge aus einer femtischen Matrix mit wenigstens einer darin verteilten Hartphase und weiterhin einer gehärteten Randschicht mit einem martensiti- schen Gefüge. Dazu wird Kohlenstoff in oberflächennahe Bereiche des Stahls eingebracht, beispielsweise über Karburieren oder Karbonitrieren. Dazu wird das Bauteil auf eine Temperatur im Bereich von 830 bis 1000°C erhitzt und für 10 bis 60 Minuten gehalten. Danach erfolgt ein Abschrecken des Bauteils auf eine Temperatur im Bereich von 0 bis 400°C, insbesondere von 25 bis 300 °C, in einem Ölbad oder Salzbad.

Vermehrt werden Stahlsorten mit verbesserten Materialeigenschaften eingesetzt, um die Ermüdungs- und Abriebbeständigkeit noch zu erhöhen. Dies wirkt sich allerdings unmittelbar und negativ auf den Preis eines jeden Kettenelements aus.

Aus der WO 2017 / 196 552 A1 ist ein Stahlmaterial für ein Kettenglied bekannt, das einen Kohlenstoffanteil im Bereich von 0,25 bis 0.75 Gew.-% und einen Niob-Anteil im Bereich von 0,26 bis 1 ,5 Gew.-% aufweist und zur Einstellung einer Härte im Bereich von 50 bis 60 HRc wärmebehandelt wird. Die Wärmebehandlung umfasst dabei ein Verfahren aus der Gruppe umfassend ein Abschrecken in Öl, ein Tempern, ein Salz- bad-Bainitisieren, ein Warmbadhärten im Salzbad.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Leistungsfähigkeit von Kettenelementen aus kostengünstigen Standardmatenalien zur Bildung von Ketten noch weiter zu erhöhen.

Die Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kettenelements, umfassend folgende Schritte gelöst:

- Bereitstellen eines Bauteils aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,3 bis 0,7 Gew.-%;

- Austenitisieren des Bauteils in einem Temperaturbereich von 880 bis 940°C und

- Karbonitrieren des Bauteils unter Durchhärtung des Bauteils,

- Abschrecken des karbonitrierten Bauteils in einem Salzbad auf eine Temperatur im Bereich von 310 bis 330°C unter Ausbildung von Bainit, Martensit und Restaustenit in einem Gefüge des Bauteils;

- Abkühlen des Bauteils auf Raumtemperatur;

- Tempern des Bauteils bei einer Temperatur im Bereich von 310 bis 330°C; und

- Abkühlen des getemperten Bauteils auf Raumtemperatur unter Bildung des Kettenelements.

Das resultierende Kettenelement weist eine hohe Abriebfestigkeit und einen um ca. 8% erhöhten Widerstand gegen Ermüdung auf. Dies ist einerseits auf die Kornfeinheit des Gefüges des resultierenden Kettenelements zurückzuführen und andererseits durch an der Oberfläche des Bauteils erzeugte Druckeigenspannungen begründet.

Das Austenitisieren erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 920°C, insbesondere bei 910°C. Das Austenitisieren erfolgt bevorzugt über einen Zeitraum von 20 bis 40 Minuten, insbesondere von 25 bis 35 Minuten, bevorzugt von 30 Minuten. Das Karbonitrieren erhöht den Kohlenstoff- und Stickstoffanteil insbesondere im Randbereich des Bauteils, wobei Karbide und Karbonitride sich ausscheiden und ein Gefüge mit feinkristalliner Struktur erzeugt wird. Beides erhöht signifikant die Abriebfestigkeit des Kettenelements und schließlich einer damit gebildeten Kette.

Beim Karbonitrieren liegt bevorzugt eine Gasatmosphäre am Bauteil an, welche einen Ammoniakgehalt von 5 Vol.-% aufweist. Weiterhin wird ein Kohlenstoff-enthaltendes Gas als Kohlenstoffspender zugegeben.

Das Bauteil verbleibt insbesondere über einen Zeitraum von 10 bis 20 Minuten, bevorzugt von 15 Minuten, in dem Salzbad. Das Salzbad enthält bevorzugt Kaliumnitrat und Natriumnitrit zu gleichen Gewichtsanteilen.

Das Bainitisieren wird vorzeitig abgebrochen, so dass eine Mikrostruktur umfassend Bainit, Martensit und ein hoher Anteil an Restaustenit resultiert.

Das nachfolgende Tempern erfolgt vorzugsweise über einen Zeitraum von 55 bis 65 Minuten, insbesondere von 60 Minuten. Dabei wird der Anteil an vorhandenem Restaustenit in der Mikrostruktur verringert. Das erzeugte Gemisch aus Bainit, Martensit und den Abbauprodukten des Restaustenits (Zementit/Femt und Karbide) führt zu einer Erhöhung der dynamischen Festigkeit des Kettenelements.

Die Zähigkeit des Stahls wird dadurch nicht negativ beeinflußt und seine Härte beibehalten. Durch das Tempern wird insbesondere eine Versprödung des Stahls beim Karbonitrieren kompensiert.

Das Bauteil wird insbesondere aus Stahl der Sorte C55 oder C65 gebildet. Aber auch andere Stahlsorten mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,3 bis 0,7 Gew.-% sind verwendbar.

Es resultieren Kettenelemente mit einer Härte im Bereich von 500 bis 650 HV, die hervorragende mechanische Eigenschaften zur Verwendung in einer Kette eines Kettentriebs aufweisen. Ein Kettenelement, insbesondere eine Kettenlasche oder ein Kettenbolzen, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, weist eine erhöhte Abriebfestigkeit und eine erhöhte dynamische Festigkeit auf. Das Kettenelement kann weiterhin in Form einer Hülse vorliegen.

Bei einer Eindringtiefe von 0,2 mm ausgehend von einer Oberfläche des Kettenelements liegt bevorzugt ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,1 Gew.-% vor.

Angrenzend an eine Oberfläche des Kettenelements weist dieses bevorzugt einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,7 bis 1 ,0 Gew.-% auf.

Eine Kette, umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Kettenelemente, hat sich bewährt, indem die Kettenelemente durch einen Reckvorgang an der Kette kaltverfestigt sind. Eine solche Kette besitzt eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine signifikant verringerte Kettenlängung durch Verschleiß im Kettenbetrieb.

Bei der Kette handelt es sich bevorzugt um eine Rollen- und Hülsenketten oder um eine Zahnkette.

Als Recken bezeichnet man die definierte plastische Verformung von Materialien zur Erzielung anisotroper mechanischer Eigenschaften. Durch das Recken der Kette werden anisotrope Eigenschaften an den Kettenelementen erzeugt, welche die Haltbarkeit und mechanischen Eigenschaften verbessern. Eine Kettenlängung aufgrund von Verschleiß ist um ca. 20% reduziert.

Das Recken einer Kette kann auf zwei Arten erfolgen. Einerseits kann eine geschlossene Kette gereckt werden, indem diese über zwei Räder gespannt und gedehnt wird. Dabei kann die Kette im unbewegten, stationären Zustand gedehnt werden oder durch Drehen der Räder im Zustand der Bewegung dynamisch gedehnt werden. Alternativ kann das Recken an einer Endloskette durchgeführt werden, indem diese über mehrere Räder geführt, belastet und gedehnt wird.

Rollen- und Hülsenketten werden vorzugsweise mit 30 - 60% der Bruchlast, insbesondere 40 - 50% der Bruchlast, gereckt; um eine Ermüdung im Kettenbetrieb zu reduzieren. wird beim Recken vorzugsweise eine Zahnketten werden vorzugsweise mit 50-85% der Bruchlast, insbesondere 70 - 80% der Bruchlast, gereckt.

Die Figuren 1 bis 3 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt Figur 1 ein Kettenelement in Form einer Kettenlasche, Figur 2 eine Kette mit mehreren Kettenlaschen gemäß Figur 1 , und Figur 3 ein Zeit-Temperatur-Diagramm zu einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Kettenelements.

Figur 1 zeigt ein Kettenelement 3 in Form einer Kettenlasche. Die Kettenlasche ist aus Stahl des Typs C55 oder C65 gebildet und einer Härtung und Wärmebehandlung gemäß Figur 3 unterzogen worden.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Kette 1 umfassend Kettenelemente 3 in Form von Kettenlaschen, die mittels weiteren Kettenelementen 2 in Form von Kettenbolzen miteinander verbunden sind. Die Kettenelemente 2, 3 können hierbei auch abweichend zu der hier gezeigten Darstellung ausgeformt sein, die lediglich zur Veranschaulichung dienen soll.

In Figur 3 ist ein Zeit-Temperatur-Diagramm dargestellt, welches den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kettenelementes 2, 3 beispielhaft aufzeigt. Ein Bauteil aus Stahl des Typs C55 oder C65 wird auf eine Temperatur von 910°C erwärmt und austenitisiert. Die Temperatur von 910°C wird über einen Zeitraum t von 30 min gehalten. Währenddessen erfolgt ein Karbonitrieren des Bauteils unter Durchhärtung des Bauteils. Dies ist bei den in der Regel geringen Bauteildimensionen von Kettenelementen im Bereich einiger Millimeter hinsichtlich eines Durchmessers problemlos möglich.

Beim Karbonitrieren liegt eine Gasatmosphäre am Bauteil an, welche Ammoniakgehalt von 5 Vol.-% aufweist. Weiterhin wird ein Kohlenstoff-enthaltendes Gas als Kohlenstoffspender beigegeben. Stickstoff und Kohlenstoff diffundieren ausgehend von der Oberfläche des Bauteils in den Stahl ein. Bei einer Eindringtiefe von 0,2 mm ausgehend von einer Oberfläche Bauteils beziehungsweise des daraus gebildeten Kettenelements 2, 3 liegt bevorzugt ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,1 Gew.-% vor. Angrenzend an eine Oberfläche Bauteils beziehungsweise des daraus gebildeten Kettenelements 2, 3 weist dieses bevorzugt einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,7 bis 1 ,0 Gew.-% auf.

Es folgt ein Abschrecken des karbonitrierten Bauteils in einem Salzbad auf eine Temperatur von 320°C. Dabei wird ein Salzbad eingesetzt, das Kaliumnitrat und Natriumnitrit zu gleichen Gewichtsanteilen enthält. Eine Temperatur von 320°C wird über einen Zeitraum t von 15 min gehalten. Im Gefüge des Bauteils liegt nun Bainit, Martensit und Restaustenit nebeneinander vor.

Es schließt sich ein Abkühlen des karbonitrierten, abgeschreckten Bauteils auf Raumtemperatur an. Es folgt nun ein Tempern des Bauteils bei einer Temperatur im Bereich von 320°C über einen Zeitraum von 60 min, um den Restaustenit - Gehalt im Gefüge des Bauteils zu verringern.

Nach dem Abkühlen des getemperten Bauteils auf Raumtemperatur liegt nun ein erfindungsgemäßes Kettenelement 2, 3, insbesondere in Form einer Kettenlasche (vergleiche Figur 1 ), vor. Das Kettenelement 2, 3 weist eine Härte im Bereich von 500 bis 650 HV auf.

Nun werden eine Mehrzahl an Kettenelementen 2, 3 zu einer Kette 1 (vergleiche Figur 1 ) verbunden und die Kette 1 einem Recken unterzogen. Die Kette 1 weist eine signifikant verringerte Ermüdung und Kettenlängung im Betrieb auf.

Bezuqszeichenliste

1 Kette

2 Kettenelement in Form eines Kettenbolzens 3 Kettenelement in Form einer Kettenlasche

T Temperatur (in °C) t Zeitspanne (in Minuten)

RT Raumtemperatur