<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wälzpaarungen
Es ist bekannt, die Ermüdungslebensdauer eines Werkstoffes dadurch zu erhöhen, dass man ihm einen Eigenspannungszustand einprägt, der den bei seinen Belastungen auftretenden kritischen Spannungen entgegengesetzt ist. So wird beispielsweise die niedrige Zugfestigkeit von Beton durch ein Vorspannen in Richtung der Druckfestigkeit erhöht (Spannbeton),
In richtiger Erkenntnis dieser Zusammenhänge hat es nicht an Versuchen gefehlt, den spannungser- zeugenden Abschreckvorgang bei der Stahlhärtung in systematischer Weise zu steuern. Zu diesem Zweck kamen unterschiedliche Abschreckmittel wie Wasser und Öl zur Anwendung und weiterhin wurden deren Temperaturen auch noch verschieden gewählt (Warmbäder).
Darüber hinaus hat man das Härtegut vor dem Abschrecken abgehängt oder sich auch eines Tauchabschreckens bedient,
Eine weitere Möglichkeit, einen oberflächlichen Eigenspannungszustand zu erzeugen, besteht durch mechanische Einwirkungen auf den betreffenden Bestandteil, wie z. B. Walzen, Sandstrahlen und Schleifen. Jeder dieser Bearbeitungsvorgänge macht jedoch nach der erforderlichen vorausgehenden Wärmebehandlung eine zusätzliche Massnahme aus, durch die das Erzeugnis nicht unwesentlich verteuert wird.
Im Zuge dieser mannigfachen Bemühungen ist noch der Versuch hervorzuheben, über eine unterschiedlich Austenitisierung den Eigenspannungszustand des Stahles zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wurde entweder bei verschiedener Zusammensetzung des Stahlgefüges über den Querschnitt mit gleichen äusseren Austenitisierungsbedingungen gehärtet, oder umgekehrt bei gleicher Stahlzusammensetzung unterschiedliche Austenitisierungsbedingungen zwischen Rand und Kern herbeigeführt.
Beispiele hiefür sind die Einsatzhärtung (fallender Kohlenstoffgehalt vom Rand zum Kern hin) und die Karbonitrierung (fallender Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt vom Rand zum Kern hin) oder schliesslich Oberflächen-Härtungsverfahren wie Flammhärten und Induktivharten. Eine Verbindung dieser beiden Härtungsarten ist ebenfalls schon bekanntgeworden. Dabei hat man an sich durchhärtendes Gut kurzzeitig einer zusätzlichen höheren Austenitisierungstemperatur ausgesetzt, wodurch ebenfalls vom Rand zum Kern hin abnehmend mehr Kohlenstoffatome im Grundgitter gelöst werden. Wegen der grossen Wärmeleitfähigkeit des Stahles und des dadurch bedingten niedrigen Temperaturgradientenliessensich auf diese Weise jedoch nur geringe Eigenspannungen einprägen.
Die Erfindung baut auf diesen bekannten Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von härtbaren, ferromagnetischen Wälzpaarungen auf, bei welchen in der Hauptbeanspruchungszone wenigstens einer ihrer Bestandteile durch eine Wärmebehandlung eine der Beanspruchung entgegenwirkende Eigenspan- 1Ung erzeugt wird. Die angeführten Nachteile eines derartigen bekannten Verfahrens sind erfindungs- gemäss durch induktive Wärmebehandlung sowohl vor als auch nach dem Abschrecken behoben. Bei der induktiven Austenitisierung wird erfindungsgemäss weiterhin eine sich an die Abwälzfläche anschlie- 3ende Randzone derart höher und gleichmässiger als deren Nachbarbereich austenitisiert, dass sich bis zum Abschrecken zwischen diesen Gebieten eine Schwelle ausbildet.
Der so nach dem Abschrecken ge- schaffen Spannungszustand wird in ebenfalls erfinderischer Ausbildung durch das folgende induktive Anlassen dergestalt verändert, dass eine unterschiedliche Dilatation der Randzone gegenüber ihrem Nach-
<Desc/Clms Page number 2>
barbereich erfolgt. Mit einer derartigenBehandlungsweise lassen sich Wälzlagerpaarungen zustande bringen, bei denen z. B. an den Laufringen die gefürchteten Haarrisse unter der Laufbahnoberfläche mit an- schliessendem schollenartigem Ausbrechen des Werkstoffes, sogenannte Grübchen bzw. Pittings, weitgehend vermieden werden können.
Die günstige Überrollungslebensdauer der erfindungsgemäss ausgebildeten Wälzpaarungen beruht darauf, dass der Laufbahn ein definierter Druckeigenspannungszustand überlagert werden kann, bei welchem entgegen früheren Verfahren ein verhältnismässig niedriger Druck an der unmittelbaren Oberfläche der Laufbahn mit zunehmendem Abstand zu ihr zunächst zunimmt und nach Überschreiten eines Maximums wieder abnimmt. In den Zeichnungen ist dieser Druckverlauf aus Fig. l ersichtlich, in der die Kurve K den Verlauf des Druckes p von der Laufbahnoberfläche 0 in Richtung des Pfeiles P nach dem Inneren des Laufringes hin wiedergibt. Das Druckmaximum M ist um den beträchtlichen Abstand a von der Oberfläche 0 des Laufringes entfernt.
Die maximale Eigenspannung in bestimmtem Abstand a zur Lauffläche 0 des Laufringes eines Wälzlagers kommt der bereits angeführten Kennzeichnung des erfindungsgemässen Verfahrens entsprechend dadurch zustande, dass zunächst vor dem Abschrecken eine induktive Wärmebehandlung stattfindet, durch die eine sich an die Abwälzfläche anschliessende Randzone derart höher und gleichmä- ssiger als deren Nachbarbereich austenitisiert wird, dass sich bis zum Abschrecken zwischen diesen Gebieten eine Schwelle bildet.
Gegenüber einer indirekten Erwärmung des Werkstückes, wie sie sich durch Strahlung oder Konvektion herbeiführen lässt, bringt die induktive Wärmebehandlung den Vorteil mit sich, dass die Wärme im Werkstück selbst, u. zw. in einer dünnen Haut der Oberfläche, erzeugt wird (Skin-Effekt). Die Eindring- tiefe der die Erwärmung verursachenden elektrischen Wirbelströme ergibt sich aus der Formel
EMI2.1
Sie ist somit vom spezifischen Widerstand des Materials (p), seiner magnetischen Permeabilität (Il) und der Frequenz (f) des elektrischen Stromes in der Induktionsspule abhängig.
Im Verlauf der induktiven Wärmebehandlung verkleinert sich bei konstanter Frequenz und ebenfalls annähernd konstant bleibendem spezifischem Widerstand die Permeabilität beim Überschreiten des CuriePunktes sprunghaft in der Grössenordnung von zwei Zehnerpotenzen. Damit ändert sich die elektrische Eindringtiefe. Die Temperatur fällt damit vom Rand (Laufbahnfläche) bis zu der auf Curie-Temperatur gebrachten Fläche im Inneren des Werkstoffes nur langsam, danach aber sehr steil zum Kern hin ab. Dieser Zusammenhang ist aus Fig. 2 der Zeichnungen ersichtlich, worin der Verlauf der Temperatur T wieder in Pfeilrichtung P nach dem Inneren des Werkstoffes hin für verschiedene Einwirkungszeiten tl - t6 als Parameter eingetragen ist. Bei der Curie-Temperatur C dieser Kurven sind deren Schwellen, z. B. S, deutlich ersichtlich.
Die Ausnutzung dieser Temperaturschwelle ist für die Erfindung von hervorragender Bedeutung. Während nämlich der Austenitisierungsgrad der Randzone praktisch konstant ist, fällt er zum Kern hin, analog zur Temperatur, steil ab. Ein höherer Austenitisierungsgrad entspricht aber einer grösseren Zahl an Koh- lenstoffatomen, die im Grundgitter gelöst sind. Durch entsprechende Wahl von Spannung und Frequenz des Induktionsstromes sowie seiner Einwirkungszeit lässt sich somit die Grösse der durch die Zahl der gelösten Kohlenstoffatome bestimmten Volumenzunahme verändern.
Zur näheren Erläuterung dieser Zusammenhänge ist davon auszugehen, dass geglühter, härtbarer Stahl im wesentlichen aus Eisen und Kohlenstoff besteht, wobei Eisen in Form von Ferrit in kubisch raumzentrierter Kristallstruktur und Kohlenstoff, gebunden in der im thermodynamischen Gleichewicht befindlichen Verbindung FesC, vorliegen. Die Löslichkeit von Kohlenstoff im Ferritgitteristgering. Bringt man den Stahl auf Härtetemperatur, so wandelt sich das kubisch raumzentrierte Ferritgitter in das kubisch flächenzentrierte Austenitgitter um. Gleichzeitig beginnt sich das Karbid Fe C unter Abgabe von Kohlenstoff aufzulösen. Der Kohlenstoff wird vom Grundgitter, das in dieser Struktur eine grosse Löslichkeit aufweist, eingelagert.
Die geschilderten Prozesse sind temperatur-und zeitabhängig. Je höher die Temperatur und je länger die Zeitdauer sind, desto mehr löst sich FegC auf und umso mehr Kohlenstoff wird im Austenitgitter eingelagert. Beim langsamen Abkühlen von Härtetemperatur laufen diese Prozesse in umgekehrter Richtung. Durch Diffusion scheidet sich dann der Kohlenstoff aus dem Grundgitter wieder aus und es wird von neuem FeC gebildet. Wird jedoch der Stahl von Härtetemperatur schnell abge-
<Desc/Clms Page number 3>
schreckt, so bleibt der Kohlenstoff im Grundgitter gelöst. Der Austenit klappt dann in den sogenannten
Martensit um, wodurch ein hartes und sprödes Gefüge entsteht,
Mit der Umwandlung von Austenit zu Martensit ist die bereits erwähnte Volumenzunahme verbunden.
Sie ist, was ebenfalls schon hervorgehoben wurde, umso grösser, je mehr Kohlenstoff im Austenitgitter gelöst ist (bis 4%). Die Umwandlung von Austenit zu Martensit erfolgt während der Abschrek- kung bei einer bestimmten Temperatur (M-Punkt). Dieser M-Punkt ist wieder eine Funktion des im Austenit gelösten Kohlenstoffes. Je mehr Kohlenstoff das Gitter enthält, desto niedriger liegt der Martensitpunkt. Bei der z. B. bei Wälzlagerstahl üblichen Zusammensetzung kann durch unterschiedliche Austenitisierung der Martensitpunkt von 360 bis auf 1200C erniedrigt werden.
Die schon erwähnte Abschreckung, durch die sich die Umwandlung von Austenit zu Martensit vollzieht, findet mit einer abgestimmten Abkühlungsgeschwindigkeit statt. Da die Wärmeleitfähigkeit praktisch konstant ist, lässt sich dieser Abkühlungsvorgang nur über den Wärmeübergang vom Metall zur Abschreckflüssigkeit beeinflussen.
Die auftretenden, sich ständig ändernden Temperaturdifferenzen zwischen Rand und Kern des betreffenden Stahlstückes bringen in ihm als Folge der thermischen und umwandlungsbedingten Massänderungen Spannungen erster Ordnung hervor. Sie ergeben sich dadurch, dass beispielsweise beim Abschrecken von umwandlungsfreiem Werkstoff von erhöhter Temperatur die Randzone infolge des Temperaturgefälles zwischen Rand und Kern zunächst stark kontrahiert. Überschreitet die Zugspannung am Rand die Streckgrenze, so werden diese Zonen plastisch aufgeweitet.
Beim weiteren Abkühlen des Kernes entsteht dann am Rand eine Druckspannung. Bei mit einer Umwandlung behaftetem Material überlagern sich den oben beschriebenen Vorgängen die umwandlungsbedingten Massänderungen. Der endgültige, sich bei Raumtemperatur einstellende Eigenspannungszustand ist als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den thermischen und Umwandlungsspannungen vom zeitlichen Verlauf der Abkühlung über den Querschnitt, der Warmfestigkeit des Austenits und des Martensits bei verschiedenen Temperaturen und vom Zeitpunkt bzw. der Temperatur der einsetzenden Martensitumwandlung abhängig.
Den die Erfindung kennzeichnenden Massnahmen entsprechend ist für den angestrebten Erfolg, nämlich der Erhöhung der Ermüdungslebensdauer von Wälzpaarungen, auch die Wärmebehandlung nach erfolgtem Abschrecken von grosser Bedeutung.
Normalerweise wird gehärteter Stahl aus technologischen Gründen angelassen, d. h. längere Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Dieses Anlassen ruft Gefügeumwandlungen hervor, die mit Mass- änderungen verbunden sind. So findet in der ersten Anlassstufe infolge einer tetragonal kubischen Umwandlung des Martensits eine Kontraktion, in der zweiten Anlassstufe infolge der Restaustenit-Um- wandlung eine Dilatation sowie schliesslich in der dritten Anlassstufe infolge des weiterenMartensit- zerfalles wieder eine Kontraktion statt. Die Kontraktion und die Dilatation der ersten und zweiten Anlassstufe sind eine Funktion der Austenitisierungsbehandlung, u. zw. steigt die Grösse der Massänderung mit der Erhöhung des Austenitisierungsgrades.
Die sich beim normalen Anlassen ergebenden Massänderungen verursachen Spannungsunterschiede.
Setzt man einen gleichen Austenitisierungsgrad und eine gleiche Werkstoffzusammensetzung über den Querschnitt voraus, so laufen vorwiegend Spannungsänderungen der zweiten und dritten Ordnung, d. h. solche im atomaren und molekularen Bereich, ab. Spannungen der ersten Ordnung (Eigenspannung) werden kaum beeinflusst. Nicht so verhält es sich, wenn beim Anlassen ein Temperaturgradient vorliegt.
Bei dem nach der Erfindung zur Anwendung kommenden induktiven Anlassen erfolgt die Erwärmung wieder über die Haut des Werkstoffes. Durch eine entsprechende Bemessung der Spannung und der Frequenz des Induktionsstromes sowie seiner Einwirkungszeit lässt sich der Temperaturgradient steuern. Damit besteht die Möglichkeit, z. B. die äusseren Randzonen in der zweiten Anlassstufe, die darunter lie- genden Schichten jedoch nur in der ersten Anlassstufe zu beaufschlagen, wodurch entgegengesetzte Massänderungen hervorgerufen werden. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass entsprechend den obigen Ausführungen die Randzonen infolge erhöhten Austenitisierungsgrades zum Kern beim Anlassen zu grösseren Massänderungen neigen.
Das beschriebene Verfahren ist anwendbar auf alle härtbaren ferromagnetischen Materialien, un- abhängig davon, ob eine Durchhärtung erwünscht bzw. möglich ist oder nicht. Je nachdem gestaltet
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
ichlichen Abschreckung im Strahl wird die Probe im Salzbad von 160 bis 1700C mit anschliessender Ölab- schreckung abgekühlt.
Durch das induktive Anlassen, Feldstärke 85AW/cm, Frequenz 500 kHz, wird nach 65 sec der nach dem Abschrecken vorliegende günstige Spannungsverlauf zu dem endgültigen oben beschriebenen abge- ändert. Hiebei ist eine Bearbeitungszugabe wegen des nach der Wärmebehandlung erfolgenden Sch1ei- fens berücksichtigt.
Soll die gleiche Rolle durchgehärtet werden und nach der Fertigbearbeitung den gleichen Span- nungsverlauf aufweisen, so ist folgende Behandlung anzuwenden.
Feldstärke 360 AW/cm, Frequenz 10 kHz, Dauer 116 sec.
Das Abschrecken erfolgt im Salzbad bei 160-170 C.
EMI4.1
<tb>
<tb>
Anlassen <SEP> : <SEP> Feldstärke <SEP> 60 <SEP> AW/cm
<tb> Frequenz <SEP> 10 <SEP> kHz
<tb> Dauer <SEP> 116 <SEP> sec
<tb>
Durch die Wahl von Abschreckmitteln verschiedener Abschreckintensität besteht die Möglichkeit, von der gleichen Austenitisierungsschwelle ausgehend, verschiedene Spannungszustände einzufrieren.
Durch die induktive Wärmebehandlung vor und nach dem Abschrecken, wie sie im vorstehenden geschildert wurde, lässt sich also die thermische Behandlung so steuern, dass jeder gewünschte Eigenspannungszustand herbeigeführt werden kann. Dabei ist die Tiefe der Druckzone praktisch nicht begrenzt und jeder beliebige, für die Lebensdauer günstige Spannungsverlauf herbeiführbar.
Insbesondere ist es nach diesem Verfahren erstmalig möglich, ein Druckmaximum in einer bestimmten Tiefe unter der Oberfläche zu erzeugen.
Neben der schon angeführten Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens bei Wälzkörpern bzw.
EMI4.2
kenauflagern usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von härtbaren ferromagnetischen Wälzpaarungen, bei welchen in der Hauptbeanspruchungszone wenigstens einer ihrer Bestandteile durch eine Wärmebehandlung eine der Beanspruchung entgegenwirkende Eigenspannung erzeugt wird, gekennzeichnet durch gesteuerte induktive Wärmebehandlung sowohl vor als auch nach dem Abschrecken, wodurch eine sich an die Abwälzfläche anschliessende Randzone derart höher und gleichmässiger als derenNachbarbereich austenitisiert wird, dass sich bis zum Abschrecken zwischen diesen Gebieten eine Schwelle im Austenitisierungsgrad bildet, und das Anlassen in der Randzone eine gegenüber ihrem Nachbarbereich unterschiedliche Dilatation herbeiführt.