DE1292696B

DE1292696B - Process to increase the service life of roller pairs

Info

Publication number: DE1292696B
Application number: DEK53604A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans; Schlicht
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA; Kugelfischer Georg Schaefer and Co
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1964-07-29
Filing date: 1964-07-29
Publication date: 1969-04-17
Also published as: SE309790B; GB1055085A; CH472500A; US3477884A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Gut kurzzeitig einer zusätzlichen höheren Austeder Lebensdauer von Wälzpaarungen, deren Bestand- nitisierungstemperatur ausgesetzt, wodurch vom Rand teile aus übereutektoidem ferromagnetischem Stahl zum Kern hin abnehmend mehr Kohlenstoffatome im bestehen. Rollen derartige Teile aufeinander ab, so Grundgitter gelöst werden. Wegen der großen ist ihre Lebensdauer von den kritischen Spannungen 5 Wärmeleitfähigkeit des Stahls und des dadurch beabhängig, die sich als Folge der auf die Teile ein- dingten niedrigen Temperaturgradienten ließen sich wirkenden Belastungen ergeben. auf diese Weise jedoch nur geringe, von der Ober-The invention relates to a method for briefly increasing the material of an additional higher oyster Lifespan of roller pairings whose inventory temperature is exposed, causing from the edge parts made of hypereutectoid ferromagnetic steel towards the core, increasing the number of carbon atoms in the exist. If such parts roll off one another, the basic grid is loosened. Because of the big its service life is dependent on the critical stresses 5 and the thermal conductivity of the steel, the low temperature gradients induced on the parts could be reduced acting loads result. in this way, however, only minor,

Es ist bekannt, die Ermüdungslebensdauer eines fläche zum Inneren gleichmäßig, d. h. ohne EinschlußIt is known that the fatigue life of a surface is uniform to the interior, i.e. H. without inclusion

Werkstoffes dadurch zu erhöhen, daß man ihm einen eines Maximums unterhalb der Oberfläche, abfallendeTo increase the material by giving it a maximum below the surface, sloping

Eigenspannungszustand einprägt, der den bei seinen io Eigenspannungen einprägen.Imprints the internal stress state that impresses with its io internal stresses.

Belastungen auftretenden kritischen Spannungen ent- Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber einLoads occurring critical stresses object of the invention is a contrast

gegengesetzt ist. So wird beispielsweise die niedrige Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wälz-is opposite. For example, the low process to increase the service life of rolling

Zugfestigkeit von Beton durch ein in Druckrichtung paarungen aus übereutektoidem ferromagnetischemTensile strength of concrete through a pair of hypereutectoid ferromagnetic in the direction of compression

verlaufendes Vorspannen erhöht (Spannbeton). Stahl, bei welchen wenigstens in einem ihrer Bestand-increasing prestressing (prestressed concrete). Steel, of which at least one of its constituents

Um die Lebensdauer von Werkstücken aus Stahl 15 teile durch Erwärmung auf eine im austenitischen zu erhöhen, ist ihnen bekanntlich bereits durch me- Gebiet des Zustandsdiagramms liegende Temperatur chanische Einwirkungen, z. B. durch Hämmern, durch Abschrecken und durch Anlassen Druck-Walzen, Sandstrahlen oder Schleifen, ein Eigen- spannungen unter der Laufbahnoberfläche erzeugt spannungszustand im Bereich ihrer Oberfläche ver- werden, die den unter Belastung auftretenden Schubmittelt worden, der allerdings nur eine geringe Ein- 20 spannungen entgegenwirken, und das gekennzeichnet dringtiefe (einige Mikrometer) aufweist. Jeder dieser ist durch die Herbeiführung eines ein Maximum Bearbeitungsvorgänge macht außerdem nach der not- aufweisenden Eigenspannungsverlaufs in diesem wendig vorhergehenden Wärmebehandlung eine zu- Wälzpaarungs-Bestandteil, indem folgende an sich sätzliche Maßnahme aus, durch die das Erzeugnis bekannte Maßnahmen zur Anwendung gebracht nicht unwesentlich verteuert wird. 25 werden:To extend the service life of workpieces made of steel 15 parts by heating to one in the austenitic to increase is known to them already lying through the me area of the state diagram temperature mechanical effects, e.g. B. by hammering, by quenching and by tempering pressure-rolling, Sandblasting or grinding, which creates internal stresses under the track surface state of tension in the area of their surface, which means the shear occurring under load which, however, only counteracts a small amount of tension, and that is marked penetration depth (a few micrometers). Each of these is a maximum by inducing one Machining operations are also carried out according to the necessary residual stress profile in this agile preceding heat treatment a to-roll pairing component by following per se additional measure by which the product applies known measures is not insignificantly increased in price. 25 will:

In richtiger Erkenntnis dieser Nachteile hat es nichtIn properly realizing these drawbacks, it has not

an Versuchen gefehlt, den bei der Stahlhärtung zur a) eine höhere und gleichmäßigere AustenitisierungThere is a lack of attempts to achieve a) higher and more uniform austenitization in steel hardening

Anwendung gebrachten Abschreckvorgang gleich in der Oberflächenzonen gegenüber den darunter-Applied quenching process right in the surface zone opposite the

einer Weise vor sich gehen zu lassen, die eine Ver- liegenden Schichten durch induktives Erhitzena way of letting go of the one lying layers by inductive heating

besserung der entstehenden Vorspannungen ergibt. 30 unter Ausnutzung des Skin-Effekts sowie an-improvement of the resulting pre-tension. 30 using the skin effect and other

Zu diesem Zweck sind unterschiedliche Abschreck- schließendes Abschrecken,For this purpose, different quenching-closing quenching,

mittel, wie öl, Wasser, Salzwasser oder auch ge- j,) _em induktives Anlassen wiederum unter Aus-medium, such as oil, water, salt water or even ge j,) _em inductive tempering again with

schmolzenes Salz, zum Einsatz gebracht worden. nutzung des Skin-Effekts.
Auch hat man das Härtegut vor dem Abschreckenmolten salt. use of the skin effect.
You also have the hardened material before quenching

eine Zeitlang in Luft abgehängt oder sich eines 35 Durch diese beiden Verfahrensschritte wird derSuspended in the air for a while or one of these two steps, the

Tauchabschreckens bedient. betreffende Wälzpaarungs-Bestandteil während derDive deterrent served. relevant Wälzpaarungs-component during the

Durch diese Maßnahmen hat sich jedoch die Austenit-Martensit-Umwandlung in der Randzone Lebensdauer von betriebsmäßigen Belastungen aus- mit dem darin stärker gelösten Kohlenstoff in höhegesetzten gehärteten Stahlwerkstücken, wie sie auch rem Maße aufgeweitet als in den darunterliegenden durch die Bestandteile von Wälzpaarungen verkörpert 40 Zonen. Diese Aufweitung erzeugt zunächst eine sind, ebenfalls noch nicht in zufriedenstellender Weise nahezu gleichmäßige Druckeigenspannung in der steigern lassen. Es ist deshalb bekanntlich der Ver- Randzone und beträchtlich geringere derartige Spansuch gemacht worden, den Eigenspannungszustand nungen in den darunterliegenden Zonen, so daß mit von Werkstücken aus härtbarem Stahl durch eine dem induktiven Anlassen des abgeschreckten Bedifferenzierte Austenitisierung von Rand und Kern 45 Standteils bei erneuter Ausnutzung des Skin-Effekts zu beeinflussen. Zu diesem Zweck werden über den in der Randzone die nahezu gleichmäßige Druck-Querschnitt des Stahls hinweg entweder bei unver- eigenspannung in unmittelbarer Umgebung der Laufänderter Zusammensetzung seines Gefüges unter- fläche verringert wird. Dem so behandelten Paarungsschiedliche thermische Behandlungen zwischen Rand Bestandteil wird auf diese Weise eine Druckeigen- und Kern vorgenommen oder bei unterschiedlicher 50 Spannung vermittelt, die von der Lauffläche ab zu-Stahlzusammensetzung über den Querschnitt hinweg nächst anwächst, mit zunehmendem Abstand von ihr eine gleiche thermische Behandlung zur Härtung ein Maximum erreicht und die danach wieder zum herangezogen. Beispiele hierfür sind einerseits die Kern hin abfällt. Die Tiefe des zu erzeugenden Druck-Oberflächenhärtungsverfahren, wie sie beim Flamm- Spannungsmaximums entspricht der Tiefe, in der die härten oder Induktionshärten gegeben sind. Anderer- 55 maximale Scherbeanspruchung auftritt, und ist im seits kommen das Aufkohlen (Einsatzhärten) bzw. die wesentlichen von der geometrischen Form der sich Karbonitrierung in Betracht, die einen vom Rand zum berührenden Paarungs-Bestandteile und von der BeKern hin abfallenden Kohlenstoff- bzw. Kohlen- und lastung abhängig. Da die spezifische Belastung der Stickstoffgehalt ergibt. Durch sämtliche derartigen Wälzpaarungs-Bestandteile üblicherweise zwischen Härtungsverfahren lassen sich vom Rand zum Kern 60 250 bis 350 kg/mm² beträgt, ergibt sich für die Tiefe eines Stahlwerkstückes hin abfallende Druckspan- des Spannungsmaximums bei handelsüblichen Wälznungen erzeugen. lagern ein Wert von etwa 5^fl/o des kleinsten Krüm-Auch für die Erhöhung der Lebensdauer von mungsradius, der bei den Bestandteilen einer Wälz-Wälzpaarungs-Bestandteilen (Wälzelemente) ist durch paarung vorhanden ist.As a result of these measures, however, the austenite-martensite transformation in the edge zone has widened the service life of operational loads, with the more strongly dissolved carbon in it, in higher-set hardened steel workpieces, as it is also greater than in the 40 zones below, embodied by the components of roller pairs . This widening initially creates an almost uniform compressive residual stress in which it is also not yet satisfactory to increase. It is therefore known that the edge zone and considerably less such chip search have been made, the residual stress state voltages in the underlying zones, so that with workpieces made of hardenable steel by the inductive tempering of the quenched differentiated austenitization of the edge and core 45 standing part when it is used again to influence the skin effect. For this purpose, the almost uniform pressure cross-section of the steel in the edge zone is reduced either with non-intrinsic stress in the immediate vicinity of the changed composition of its structure. The paired thermal treatments treated in this way between the edge of the component are in this way made an inherent pressure and core or imparted with different tension, which increases next from the tread to the steel composition across the cross-section, with increasing distance from it, the same thermal treatment reached a maximum for hardening and then used again for. Examples of this are on the one hand the core drops off. The depth of the pressure surface hardening process to be generated, as it is at the flame voltage maximum, corresponds to the depth in which the hardening or induction hardening is given. On the other hand, maximum shear stress occurs, and on the one hand the carburization (case hardening) or the essential part of the geometric shape of the carbonitriding come into consideration, which is a carbon or Coal and load dependent. Because the specific load results from the nitrogen content. All such rolling pairing components, usually between hardening processes, can be 250 to 350 kg / mm ² from the edge to the core 60, resulting in a pressure span of the stress maximum falling for the depth of a steel workpiece with commercially available rolling. store a value of about 5 ^fl / o of the smallest curvature also for increasing the service life of the mungsradius, which is present in the components of a rolling-rolling pairing components (rolling elements) through pairing.

die USA.-Patentschrift 3117 041 schon bekannt- 65 In weiterer erfinderischer Ausgestaltung des vorgeworden, deren Eigenspannungszustand durch eine stehend charakterisierten Verfahrens kann beim Abdifferenzierte Austenitisierung von Rand und Kern schrecken ein Wälzpaarungs-Bestandteil in ein SaIzzu beeinflussen. Dabei hat man an sich durchhärten- bad von 160 bis 170° C getaucht werden. Mit oderthe USA patent specification 3117 041 already known- 65 In a further inventive embodiment of the whose internal stress state can be characterized by a standing process in the case of the differentiated Austenitizing the edge and core frightens a rolling pair component into a salt influence. You have to immerse yourself in a hardening bath of 160 to 170 ° C. With or

ohne Inanspruchnahme dieser Variante können schließlich erfindungsgemäß die geschilderten Verfahrensschritte auch bei Zahnrädern oder bei Walzen in Walzwerken für Bleche zur Anwendung kommen.Without making use of this variant, the method steps described can finally be carried out according to the invention can also be used for gears or for rolls in rolling mills for sheet metal.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindungsgegenstände sind im einzelnen in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert. Darin stellt darThese and other features and advantages of the subject invention are detailed below Description explained on the basis of the drawing. It represents

F i g. 1 ein Diagramm, das die bei Belastung einer Wälzpaarung auftretenden Beanspruchungen eines ihrer Bestandteile sowie die sie entlastende Eigenspannung des Teils erkennen läßt (nachgebrachtes Erläuterungsbeispiel),F i g. 1 is a diagram showing the stresses that occur when a roller pair is loaded its components as well as the internal stress of the part, which relieves them, can be recognized (brought up Explanatory example),

F i g. 2 ein Diagramm, das die beim Abschrecken eines Wälzpaarungs-Bestandteils auftretenden Maßänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt (nachgebrachtes Erläuterungsbeispiel),F i g. Figure 2 is a graph showing the dimensional changes that occur when a rolling element component is quenched shows as a function of the temperature (provided explanatory example),

F i g. 3 eine Kurvenschar, die die induktive Erwärmung eines Wälzpaarungs-Bestandteils für verschiedene Werte des Zeit-Parameters wiedergibt,F i g. 3 a family of curves showing the inductive heating of a rolling element component for various Displays the values of the time parameter,

F i g. 4 einen Kurvenzug, der den Einfluß des induktiven Anlassens auf einen erfindungsgemäß gehärteten Wälzpaarungs-Bestandteil veranschaulicht.F i g. 4 shows a curve showing the influence of inductive tempering on a hardened according to the invention Rolling pairing component illustrated.

Nach F i g. 1 rollt auf der Laufbahnoberfläche 1 eines Wälzpaarungs-Bestandteils, z. B. des Laufrings eines Wälzlagers, ein anderer derartiger Paarungs-Bestandteil, z. B. eine zylindrische Rolle mit der Oberfläche 2, ab. Infolge der Belastung, unter der sich der rollende Bestandteil auf seiner Laufbahn abwälzt, ergibt sich nach einer Theorie von Heinrich Hertz aus dem Jahre 1895 ein Druckverlauf 3, der im Berührungsbereich beider Bestandteile die aus der Zeichnung ersichtliche Abplattung des rollenden Körpers mit der Oberfläche 2 auf seiner Laufbahn zur Folge hat.According to FIG. 1 rolls on the raceway surface 1 of a rolling element component, e.g. B. the race a roller bearing, another such mating component, e.g. B. a cylindrical roller with the Surface 2, from. As a result of the load under which the rolling component is on its career shifts, according to a theory by Heinrich Hertz from 1895, a pressure curve 3 results, the In the contact area of the two components, the flattening of the rolling body shown in the drawing with the surface 2 on its career result.

Durch den Druckverlauf 3 entstehen im Werkstoff des die Laufbahnoberfläche 1 aufweisenden Wälzelementes unterhalb seiner Oberfläche Normalspannungen, deren Verlauf nach orthogonalen Koordinatenrichtungen durch den Kurvenzug 4 in der Belastungsrichtung 5 und durch den Kurvenzug 6 senkrecht zur Belastungsrichtung 5 wiedergegeben wird. Die Differenz der Werte dieser Spannungen liefert für jeden Elementarkubus im Inneren des Laufbahnelements Schubspannungen, deren Größe — abgesehen von einem ganzzahligen Faktor — vom Punkt 7 der Hauptbelastung unterhalb des Scheitels 8 des Druckverlaufs 3 in der Belastungsrichtung 5 so verläuft, wie es der Kurvenzug 9 veranschaulicht. Danach wird die Ermüdung des Werkstoffes, die durch Schubspannungen in seinem Inneren hervorgerufen wird, unter der Laufbahnoberfläche 1 zunächst größer, dann überschreitet sie ein Maximum und fällt schließlich nach dem Inneren des Werkstückes hin ab. Dieser theoretisch ermittelte Verlauf ist später durch die sogenannte Pittingbildung bestätigt worden, die auf einer Ermüdung des Werkstoffes bei Abwälzvorgängen gerade immer unter seiner Oberfläche, und zwar in der Zone der hauptsächlichen Schubspannungsbeanspruchung, auftritt.The pressure profile 3 creates in the material of the rolling element having the raceway surface 1 normal stresses below its surface, their course according to orthogonal coordinate directions through the curve 4 in the loading direction 5 and through the curve 6 perpendicular the direction of loading 5 is reproduced. The difference between the values of these voltages yields for every elementary cube inside the track element shear stresses, their size - regardless by an integer factor - from point 7 of the main load below the vertex 8 of the The pressure curve 3 in the loading direction 5 runs as illustrated by the curve 9. Thereafter the fatigue of the material, which is caused by shear stresses in its interior, initially larger below the raceway surface 1, then it exceeds a maximum and finally falls towards the inside of the workpiece. This theoretically determined course is later replaced by the so-called Pitting has been confirmed, which is based on fatigue of the material during rolling processes just always below its surface, namely in the zone of the main shear stress, occurs.

Dem bereits dargelegten Zweck der vorliegenden Erfindung entsprechend ist mit dem sie ausmachenden Verfahren in das von der Laufbahnoberfläche 1 begrenzte Wälzelement ein solcher Vorspannungsverlauf einzuprägen, wie ihn der Kurvenzug 10 wiedergibt. Er ist zu demjenigen Kurvenverlauf 9 spiegelsymmetrisch, der sich durch die Spannungsverhältnisse ergibt, die beim Abwälzen des Rollkörpers mit der Oberfläche 2 auf der Laufbahnoberfläche 1 auftreten. Insbesondere weisen die beiden Kurvenzüge 9 und 10 maximale Ordinatenwerte 11 bzw. 12 an einer Stelle im Inneren des von der Laufbahnoberfläche 1 begrenzten Wälzelements auf, die in einem durch die angeführten mechanischen Spannungsverhältnisse bedingten Abstand von der Laufbahn 1 zustande kommen. Unter üblicherweise auftretenden Betriebsbedingungen beträgt dieser Abstand, wie oben bereits erwähnt, etwa 5% des kleinsten, bei einer handelsüblichen Wälzpaarung vorhandenen Krümmungsradius. Liegt dieser Radius also zwischen 20 und 25 mm, so ergibt sich für den Ordinatenwert des Maximums 12 ein Betrag zwischen 1,0 und 1,25 mm. Die Lage der Maxima Il und 12 ist demnach schon bei der hier zugrunde gelegten Abmessung für den Krümmungsradius ein beträchtliches Stück von der Laufbahnoberfläche 1 entfernt. The purpose of the present invention as set out above is in accordance with what constitutes it Moving into the rolling element delimited by the raceway surface 1, such a preload curve impress as the curve 10 reproduces it. It is related to that curve profile 9 mirror-symmetrical, which results from the tension that occurs when the rolling element rolls occur with the surface 2 on the raceway surface 1. In particular, the two point Curves 9 and 10 maximum ordinate values 11 and 12, respectively, at a point in the interior of the raceway surface 1 limited rolling elements, which are in a by the listed mechanical stress conditions conditional distance from career 1 come about. Under normal operating conditions, this distance is as already mentioned above, about 5% of the smallest, with a commercially available roller pairing existing radius of curvature. If this radius is between 20 and 25 mm, the result is The ordinate value of the maximum 12 is an amount between 1.0 and 1.25 mm. The location of the maxima Il and 12 is therefore a considerable amount for the radius of curvature even with the dimension used here Piece away from the track surface 1.

Um in einem Wälzelement einen dem Kurvenzug 10 in Fig. 1 entsprechenden Druckeigenspannungsverlauf zu erzeugen, der den beim Abrollen einer Wälzpaarung unter Belastung sich ergebenden Spannungsverhältnissen entlang des Kurvenzuges 9 weitgehend (spiegelbildlich) gleich ist, wird — wie es oben bereits angedeutet worden ist — durch induktive Wärmebehandlung vor dem Abschrecken eine sich an die Laufbahnoberfläche 1 eines Wälzelements anschließende Randzone höher und gleichmäßiger als die darunterliegenden Zonen austenitisiert. Es bildet sich dadurch am Übergang von der Randzone zu dem darunterliegenden Bereich eine Schwelle unterschiedlichen Austenitisierungszustandes aus. Durch Abschrecken des Wälzelementes wird eine Umwandlung des Austenits in Martensit und dabei eine Volumenvergrößerung bewirkt. Sie ist um so größer, je höher austenitisiert wurde. Die höher und gleichmäßiger austenitisierte Randzone wächst demnach stärker als der darunterliegende Bereich. Diese unterschiedlichen Volumenzunahmen lassen einen Druckspannungszustand entstehen, bei welchem der Druck mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des betreffenden Wälzelements zunächst bis zur Tiefe der bei dem angeführten Austenitisieren sich ergebenden Schwelle annähernd gleich groß bleibt und danach abfällt. Die Lage der Schwelle entspricht etwa dem Abstand des durch die weitere, noch zu schildernde Werkstücksbehandlung sich ergebenden Druckspannungsmaximums (12 in Fig. 1) von der Werkstücksoberfläche.In order to have a compressive residual stress profile corresponding to the curve 10 in FIG. 1 in a rolling element to generate the tension conditions that result when rolling a pair of rollers under load along the curve 9 to a large extent (mirror image) is the same, is - as already indicated above - by inductive heat treatment prior to quenching, one adjoining the raceway surface 1 of a rolling element Edge zone higher and more evenly austenitized than the zones below. It forms thereby a threshold different at the transition from the edge zone to the area below Austenitizing state. A transformation occurs by quenching the rolling element of austenite into martensite and thereby causes an increase in volume. She is the bigger the more austenitized. The higher and more evenly austenitized edge zone grows accordingly stronger than the area below. These different increases in volume leave one Compressive stress conditions arise in which the pressure increases with increasing distance from the surface of the relevant rolling element initially to the depth of the austenitizing mentioned resulting threshold remains approximately the same and then drops. The location of the threshold corresponds approximately to the distance resulting from the further workpiece treatment to be described Compressive stress maximum (12 in Fig. 1) from the workpiece surface.

Den sich in einem Wälzelement zunächst bis zu dessen Abschrecken abspielenden metallurgischen Vorgängen liegt die Tatsache zugrunde, daß geglühter härtbarer — insbesondere übereutektoider — Stahl aus Eisen und Kohlenstoff besteht, wobei Eisen in Form von Ferrit in kubisch raumzentrierter Kristallstruktur und der Kohlenstoff mit Eisen in Form von Karbid gebunden vorliegen. Die Löslichkeit von Kohlenstoff im Ferrit ist gering. Bringt man den Stahl auf Härtetemperatur (etwa 850° C), so wandelt sich das kubisch-raumzentrierte Ferritgitter in das kubisch-flächenzentrierte Austenitgitter um. Gleichzeitig beginnt sich das Karbid unter Abgabe von Kohlenstoff aufzulösen, wobei der Kohlenstoff mit dem Eisen eine feste Lösung (Mischkristall) bildet.The metallurgical process that initially takes place in a rolling element until it is quenched Processes are based on the fact that annealed hardenable - especially hypereutectoid - Steel consists of iron and carbon, with iron in the form of ferrite in body-centered cubic form The crystal structure and the carbon are bound with iron in the form of carbide. The solubility of carbon in ferrite is low. If you bring the steel to hardening temperature (about 850 ° C), so the body-centered cubic ferrite lattice is transformed into the face-centered cubic austenite lattice. At the same time, the carbide begins to dissolve, releasing carbon, with the carbon forms a solid solution (mixed crystal) with the iron.

Die geschilderten Prozesse sind temperatur- undThe processes described are temperature and

zeitabhängig. Je höher nämlich die Temperatur und einer Oberflächenschicht geringer Tiefe (Skin-Effekt), je langer die Zeitdauer sind, um so mehr löst sich erzeugt wird. Diese Eindringtiefe der die Erwärmung das Karbid auf und desto mehr Kohlenstoff wird verursachenden elektrischen Wirbelströme ist beim Austenitlager eingelagert. Beim langsamen Ab- kanntlich vom spezifischen Widerstand des Werkkühlen von Härtetemperatur laufen diese Prozesse 5 stoffes, seiner magnetischen Permeabilität und von in umgekehrter Richtung ab. Durch Diffusion schei- der Frequenz des elektrischen Stromes in der Indet sich dann der Kohlenstoff auf dem Grundgitter duktionsspule abhängig und somit namentlich durch wieder aus, und es wird von neuem Karbid gebildet. geeignete Wahl der zuletzt angeführten unabhängigen Wird jedoch der Stahl von Härtetemperatur schnell Variablen steuerbar. Hierdurch ist es möglich, den abgeschreckt, so bleibt der Kohlenstoff im Grund- to Verlauf des Kurvenzugs 10 in Fig. 1 und damit die gitter gelöst. Der Austenit klappt dann beim Unter- dem· Wälzelement eingeprägte Druckvorspannung schreiten der sogenannten Ms-Temperatur in den jeweils dem Linienzug9, d.h. den durch die Be-Martensit um, wodurch ein hartes und sprödes Ge- lastung hervorgerufenen Scherkräften entsprechend füge entsteht. Mit der Umwandlung von Austenit zu einzustellen und so diese schädlichen Scherkräfte zu Martensit ist die bereits erwähnte Volumenzunahme 15 neutralisieren.time-dependent. The higher the temperature and a surface layer of shallow depth (skin effect), the longer the time, the more dissolves that are generated. This depth of penetration of the warming the carbide is on and the more carbon it is causing electrical eddy currents Austenite bearings stored. In the case of slow, it is known from the specific resistance of the work cooling These processes run from the hardening temperature 5 substance, its magnetic permeability and from in the opposite direction. Diffusion causes the frequency of the electric current to change in the indet Then the carbon on the basic grid is dependent on the induction coil and thus by name again, and new carbide is formed. suitable choice of the last listed independent However, the hardening temperature of the steel becomes quickly variable. This makes it possible to use the quenched, the carbon remains in the basic to course of the curve 10 in FIG. 1 and thus the grid solved. The austenite then folds in the compressive prestress impressed under the rolling element step the so-called Ms temperature in the line 9, i.e. through the Be martensite um, whereby a hard and brittle load produced corresponding shear forces join arises. With the transformation of austenite to cease and so these damaging shear forces too Martensite is to neutralize the already mentioned increase in volume 15.

verbunden. Sie ist um so größer, je mehr Kohlen- Bei der induktiven Aufheizung eines aus über-tied together. It is all the greater, the more carbon.

stoff im Austenit gelöst ist, nämlich bis zu 4% bei eutektoidischem ferromagnetischem Stahl bestehenübereutektoidischen Stählen, d. h. bei solchen mit den Wälzlagerelements wird nicht nur dessen dem mehr als 0,79% Kohlenstoffgehalt. Skin-Effekt unterliegende Randzone erwärmt. In-material is dissolved in austenite, namely up to 4% in eutectoid ferromagnetic steel exist over eutectoid Steels, d. H. in those with the roller bearing element, not only is the more than 0.79% carbon content. The edge zone underlying the skin effect is heated. In-

Während des Austenitisierens lösen sich die Kar- ao folge der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes dringt bide auf, und der Kohlenstoff geht um so mehr in die Wärme auch über die Schwelle Sch im Diagramm Lösung, je höher die Austenitisierungstemperatur ist der Fig. 3 hinweg in Richtung zum KernK hin ein. und bzw. oder je längere Austenitisierungszeit auf- Den Verlauf des Eindringens der Temperatur T läßt gewendet wird. Bei der Umwandlung von Austenit z. B. schon der dem Zeitparameter t_x entsprechende in Martensit ist die eintretende Dilatation um so 25 Kurvenzug erkennen. Die Temperatur fällt danach größer, je mehr Kohlenstoff im Austenit gelöst bis zur Eindringtiefe Sch der elektrischen Wirbelwurde, ströme nur langsam, danach sehr steil zumDuring the austenitizing process, the kar ao result of the thermal conductivity of the material penetrates bide, and the more the carbon goes into the heat over the threshold Sch in the solution diagram, the higher the austenitizing temperature is in the direction of FIG KernK . and or or the longer austenitizing time on- The course of the penetration of the temperature T can be turned. When converting austenite z. B. already the one corresponding to the time parameter t _x in martensite is the occurring dilation by so recognizing 25 curves. The temperature then falls higher, the more carbon is dissolved in the austenite up to the penetration depth Sch of the electrical eddy, flows only slowly, then very steeply to the

Die Umwandlung aus dem austenitischen — vor Kern K ab.The transformation from the austenitic - before core K from.

dem Abschrecken vorhandenen — Gefüge in die — Die im Rahmen der Erfindung zur Anwendungthe quenching existing - structure in the - the application within the scope of the invention

durch das Abschrecken zustande kommende — mar- 30 kommende induktive Erwärmung von Wälzpaarungstensitische Struktur vollzieht sich in der Weise, wie Bestandteilen wird in einer durch die jeweilige Größe es das Diagramm in Fig. 2 beim Durchlaufen des der Frequenz des Wechselstromes den Erfordernissen Kurvenzugs 13 in Richtung des Pfeils 13' wiedergibt, angepaßten Weise bis über den Curie-Punkt hinaus in welchem die beim Abschrecken auftretenden vorgenommen. Beim Überschreiten dieses Temspezifischen Maßänderungen dl in Abhängigkeit von 35 peraturwertes ändert sich die Permeabilität des der Temperatur T aufgetragen sind. Die mit dem zur Werkstoffes sprunghaft in der Größenordnung von Anwendung kommenden Abschreckmittel (z. B. Öl) zwei Zehnerpotenzen, und damit ändert sich auch am nachhaltigsten in Berührung kommende Schale die elektrische Eindringtiefe. Die Temperatur fällt des Werkstückes erfährt zunächst eine Abkühlung damit von der Laufbahnoberfläche (F i g. 1) bis zu bis auf die Temperatur Ms. Die hier vor sich 40 der auf Curie-Temperatur gebrachten Fläche im gehende Gefügeumwandlung aus der austenitischen Inneren des Werkstoffes nur langsam, danach aber in die martensitische Struktur und damit aus dem sehr steil zum Kern K hin ab.due to quenching - mar- 30 coming inductive heating of rolling pairing tensitic structure takes place in the way that constituents are in a by the respective size it the diagram in FIG of the arrow 13 'reproduces, adapted manner to beyond the Curie point in which the occurring during quenching made. When this temperature-specific dimensional change dl is exceeded, depending on the temperature value, the permeability of the temperature T changes. The two powers of ten with the quenching agent (e.g. oil) coming into use by leaps and bounds in the material, and thus the most sustained contact of the shell changes the electrical penetration depth. The temperature of the workpiece first undergoes a cooling from the raceway surface (Fig. 1) down to the temperature Ms. The structural transformation from the austenitic interior of the material only occurs here in front of the surface brought to Curie temperature slowly, but then into the martensitic structure and thus from the very steep to the core K down.

kubisch-flächenzentrierten in das kubisch-raum- Diesen Zusammenhang läßt das Diagramm derface-centered cubic into the space-cubic- This connection leaves the diagram of the

zentrierte Gefüge bringt eine Volumendilatation mit F i g. 3 ebenfalls erkennen, in welchem der Verlauf sich, die auf der dl-Achse des Diagramms vom Wert 45 der Temperatur T nach dem Inneren K des Werk- dl_x bis zum Wert dl₂ vor sich geht. Der Kern macht stoffes hin für verschiedene Zeitparameter (bis i₆) zwar zeitlich verschoben, jedoch bei derselben Tem- eingetragen ist. Die bis zum Schwellenwert Sch peratur die gleichen Maßänderungen durch. reichende Randzone hat danach einen Temperatur-centered structure brings a volume dilatation with F i g. 3 also recognize the course in which the course takes place on the dl axis of the diagram from the value 45 of the temperature T to the interior K of the work dl _x to the value dl ₂ . The core makes material for different time parameters (up to i ₆ ) shifted in time, but is entered at the same temperature. The threshold value Sch to the same temperature by dimensional changes. reaching the edge zone then has a temperature

Anders verhält es sich beispielsweise bei der Ein- verlauf, der hier eine höhere und gleichmäßigere satzhärtung. Die Umwandlung des wesentlich weni- 50 Austenitisierung gewährleistet, ger Kohlenstoff enthaltenden Kernes aus der auste- Die Ausnutzung dieser Schwelle ist für die Er-The situation is different, for example, with the inlet, which here is higher and more even set hardening. The transformation of the much less austenitizing ensures that The use of this threshold is important for the

nitischen in die martensitische Struktur setzt bei der findung von hervorragender Bedeutung. Eine höhere höheren TemperaturMs' ein und geht gegenüber ,Austenitisierung entspricht nämlich einer größeren dem Rand unter einer wesentlich geringeren Vo- ' Zahl an Kohlenstoffatomen, die im Austenit gelöst lumendilatation vor sich, wie sie durch den Abstand 55 ist. Die Zahl dieser Atome jedoch bestimmt die der Werte dl₃ und dl_t in Fig. 2 angedeutet ist. Volumenzunahme, die demnach durch eine entWegen der unterschiedlichen Schalen- und Kern- sprechende Wahl von Spannung und Frequenz des ausdehnung kommt somit im Werkstück eine Druck- Induktionsstromes sowie seiner Einwirkungszeit Eigenspannung zustande, die sich stetig abfallend nicht nur in ihrer Größe, sondern auch in ihrer Lage von seiner Oberfläche, z.B. der Laufbahnoberfläche 1 60 im Wälzelement verändert und seinen kritischen Beder F i g. 1, in seine Inneres hinein erstreckt. lastungen so angepaßt werden kann, daß dadurchnitic in the martensitic structure sets in the finding of outstanding importance. A higher, higher temperature Ms ' enters and goes against, namely, austenitization corresponds to a larger number of carbon atoms at the edge with a significantly lower Vo-' number of carbon atoms dissolved in the austenite, as it is due to the distance 55. The number of these atoms, however, determines which of the values dl ₃ and dl _t is indicated in FIG. The increase in volume, which is caused by a choice of tension and frequency of expansion that is different from the shell and core, creates a pressure-induction current in the workpiece as well as its time of action, which is steadily decreasing not only in size, but also in its The position of its surface, for example the raceway surface 1 60 in the rolling element, changed and its critical requirement F i g. 1, extends into its interior. loads can be adjusted so that

Die nach der Erfindung ausschließliche An- hervorgerufene Spannungen — wie aus dem Verlauf Wendung induktiver Wärmebehandlungen, und zwar der Kurvenzüge9 und 10 in Fig. 1 erkennbar — sowohl vor als auch nach dem Abschrecken eines vollständig kompensiert werden. Wälzlagerelements bringt gegenüber mittelbar ein- 65 Auch die Wärmebehandlung nach erfolgtem Abwirkenden Erwärmungsmethoden wie Konvektion schrecken ist den die Erfindung kennzeichnenden und Strahlung den Vorteil mit sich, daß die Wärme Maßnahmen entsprechend für den angestrebten Ervon Anfang an im Werkstück selbst, und zwar in folg, nämlich einer Erhöhung der Ermüdungslebens-The voltages that are exclusively generated according to the invention - as from the course Turning of inductive heat treatments, namely the curves 9 and 10 in Fig. 1 recognizable - fully compensated for both before and after quenching one. In comparison, the rolling bearing element has an indirect effect Heating methods such as convection scare is the distinguishing feature of the invention and radiation have the advantage that the heat measures accordingly for the desired Ervon Beginning in the workpiece itself, and in consequence, namely an increase in the fatigue life

dauer von Wälzpaarungen, von großer Bedeutung. Normalerweise wird gehärteter Stahl zur Beeinflussung seiner technologischen Eigenschaften angelassen, d. h. längere Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Eine solche Behandlung ruft wiederum Gefügeumwandlungen hervor, die mit Maßänderungen verbunden sind. So findet beispielsweise während des Anlassens des weiter unten näher erörterten Stahls mit der deutschen Normbezeichnung 100 Cr 6 bei Temperaturen bis 180° C infolge einer tetragonal-kubischen Umwandlung des Martensits eine Kontraktion, während des Anlassens bei Temperaturen bis 240° C infolge der Restaustenitumwandlung eine Dilatation und schließlich während des Anlassens bei Temperaturen über 240° C infolge des weiteren Martensitzerfalls wieder eine Kontraktion statt.duration of roller pairings, of great importance. Usually hardened steel is used for influencing its technological properties tempered, d. H. prolonged periods of elevated temperature exposed. Such a treatment in turn causes structural changes, with changes in dimensions are connected. For example, takes place during the commencement of what is discussed in more detail below Steel with the German standard designation 100 Cr 6 at temperatures up to 180 ° C as a result of a tetragonal-cubic Conversion of martensite a contraction during tempering at temperatures up to 240 ° C as a result of the retained austenite transformation, and finally during the Tempering at temperatures above 240 ° C causes a contraction again as a result of the further Martens seatfall instead of.

Solche Maßänderungen, die sich bei normalem Anlassen eines gehärteten Wälzlagerstahls ergeben, verursachen in ihm keine irgendwie beachtlichen Spannungsänderungen, denn die Maßänderungen laufen im äußeren und im inneren Werkstückbereich gleichzeitig ab. Liegt beim Anlassen jedoch ein Temperaturgradient vor, so sind entsprechende Maßänderungen die Folge.Changes in dimensions that result from normal tempering of hardened roller bearing steel, do not cause any significant voltage changes in it, because the dimensional changes are ongoing in the outer and in the inner workpiece area at the same time. However, there is a temperature gradient during tempering before, corresponding dimensional changes are the result.

Bei dem nach der Erfindung zur Anwendung kommenden induktiven Anlassen, bei der die Erwärmung des Werkstückes wiederum über dessen Haut erfolgt, tritt ein Temperaturgradient auf. Er läßt sich durch entsprechende Bemessung der Spannung und der Frequenz des Induktionsstromes sowie durch dessen Einwirkungszeit steuern. Auf diese Weise können äußere Werkstückszonen bei Anlaßtemperaturen über 240° C und darunterliegende Schichten bei niedrigerer Temperatur angelassen werden. Es ist auch möglich, allein die äußere Zone bei niedriger Temperatur anzulassen. In beiden Fällen wird eine Volumenkontraktion der äußeren Zone gegenüber den darunterliegenden Schichten herbeigeführt.In the case of the inductive tempering used according to the invention, in which the heating of the workpiece in turn takes place over its skin, a temperature gradient occurs. He lets himself through appropriate dimensioning of the voltage and the frequency of the induction current as well as its Control exposure time. In this way, outer workpiece zones can be used at tempering temperatures above 240 ° C and layers below are tempered at a lower temperature. It is also possible to leave the outer zone alone at low temperature. In both cases a Volume contraction of the outer zone against the underlying layers brought about.

Vor dem Anlassen liegt ein Druckspannungszustand vor, wie er in Fig.4 unterhalb der Laufbahnoberfläche 1 durch den gestrichelt eingetragenen Linienzug 14 veranschaulicht ist, der im weiteren Verlauf in das Kurvenstück 10' (vgl. Fig. 1) übergeht. Demnach herrscht vom Rand bis zur Übergangsstelle 15 des Linienzugs 14 in das Kurvenstück 10', d. h. bis zu einer gewissen Tiefe unter der Laufbahnoberfläche 1 annähernd gleicher Druck, der dann erst im Verlauf des Kurvenzugs 10' zum Kern hin abfällt. Beim Anlassen wird dieser Druck in der äußersten Randzone bis auf die sich aus dem Linienstück 10" ergebenden Werte abgebaut. Das Linienstück 10" beginnt nicht im Nullpunkt N des Koordinatensystems, sondern bereits mit einem gewissen Vorspannungswert W auf der Abscissenachse. Abgesehen von dieser für die Anwendung der Erfindung allerdings nicht unwichtigen Einzelheit ist der Gesamtverlauf der sich aus den Abschnitten 10' und 10" ergebenden Kurve derart, daß er dem Linienzug 10 der F i g. 1 und somit den Werten der zweckentsprechend einzuprägenden Eigenspannung weitgehend angepaßt ist. Insbesondere weist er in erheblichem Abstand von der Laufbahnoberfläche 1 das Maximum 12' auf, von welchem ab er unter Überschneidung der Ordinatenachse K an der Stelle 16 zu ihr hin abfällt.Before starting, there is a compressive stress state, as is illustrated in FIG. 4 below the raceway surface 1 by the dashed line line 14, which in the further course merges into the curve piece 10 '(see FIG. 1). Accordingly, there is approximately the same pressure from the edge to the transition point 15 of the line 14 into the curve piece 10 ', ie up to a certain depth below the track surface 1, which then only drops in the course of the curve 10' towards the core. When starting, this pressure in the outermost edge zone is reduced to the values resulting from the line segment 10 ". The line segment 10" does not begin at the zero point N of the coordinate system, but already with a certain preload value W on the abscissa axis. Apart from this detail, which is not unimportant for the application of the invention, the overall course of the curve resulting from sections 10 'and 10 "is such that it largely matches the line 10 of FIG. 1 and thus the values of the internal stress to be appropriately impressed In particular, at a considerable distance from the raceway surface 1, it has the maximum 12 ', from which it drops towards it, with the intersection of the ordinate axis K at the point 16.

Das Verfahren nach der Erfindung ist auf alle übereutektoidischen ferromagnetischen Stähle anwendbar. Dafür sind die nachstehenden Legierungen vorteilhaft:The method according to the invention is applicable to all hypereutectoid ferromagnetic steels. The following alloys are advantageous for this:

SiSi

MnMn

CrCr

100 Cr 6100 Cr 6

IOIO 0,95
bis
1,050.95
until
1.05 1515th 0,95
bis
1,050.95
until
1.05 aoao 0,95
bis
1,050.95
until
1.05

0,150.15 0,250.25 1,401.40 maximalmaximum bisuntil bisuntil bisuntil 0,350.35 0,400.40 1,651.65 0,0250.025

100 CrMn 6100 CrMn 6

0,500.50 1,01.0 1,401.40 maximalmaximum bisuntil bisuntil bisuntil 0,700.70 1,21.2 1,651.65 0,0250.025

100 CrMo 6100 CrMo 6

0,200.20 0,600.60 1,601.60 maximalmaximum bisuntil bisuntil bisuntil 0,400.40 0,800.80 1,801.80 0,0250.025

maximal 0,025maximum 0.025

Soll eine Rolle aus 100 Cr 6 der vorstehenden Zusammensetzung und von den Abmessungen 30 0 X 48 durchgehärtet werden, so wird sie in einerShall be a roll of 100 Cr 6 of the above composition and dimensions of 30 0 X 48 are hardened through, it will be in a

as Spule von 40 0 X 75 induktiv erwärmt, indem man sie 116 Sekunden lang bei einer Feldstärke von 360 AW/cm einem Wechselfeld von 10 kHz aussetzt. Das Abschrecken erfolgt im Salzbald bei 160 bis 170⁰C mit anschließendem Abkühlen an Luft.The coil of 40 0 X 75 is inductively heated by exposing it to an alternating field of 10 kHz for 116 seconds at a field strength of 360 AW / cm. Quenching takes place in the Salt Soon at 160 to 170 ⁰ C followed by cooling in air.

Durch die Wahl von Abschreckmitteln verschiedener Abschreckintensität besteht die Möglichkeit, von der gleichen Austenitisierungsschwelle ausgehend verschiedene Spannungszustände einzufrieren.
Durch induktives Anlassen bei einer Feldstärke von 60 AW/cm und unter Anwendung einer Frequenz von 10 kHz wird nach 116 Sekunden der nach dem Abschrecken vorliegende Spannungsverlauf, wie er in Fig. 4 durch den Linienzug 14, 10' gekennzeichnet ist, zu dem endgültigen Kurvenverlauf 10", 10' abgeändert.By choosing quenching agents with different quenching intensities, it is possible to freeze different stress states starting from the same austenitizing threshold.
By inductive tempering at a field strength of 60 AW / cm and using a frequency of 10 kHz, the voltage curve present after quenching, as indicated in FIG. 4 by the line 14, 10 ', becomes the final curve shape after 116 seconds 10 ", 10 'modified.

Bei dem im vorstehenden geschilderten Verfahren ändert sich das Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen je nach dem Kohlenstoffgehalt des übereutektoiden Stahls, in welchem ein gewünschter Spannungsverlauf erzielt werden soll. Da die Änderungen des spezifischen Volumens beim Härten und beim Anlassen abhängig sind vom Kohlenstoff, der im Grundgitter gelöst ist, muß darauf geachtet werden, daß beispielsweise bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 1,5% während des Austenitisierens mehr Carbide unaufgelöst zurückbleiben, d. h. ebenso viele Kohlenstoffatome im Grundgitter gelöst werden, wie vergleichsweise in einem Stahl mit 1,0 oder 0,8% Kohlenstoff. Außerdem ist zu bedenken, daß sowohl die Kontraktion in der ersten Anlaßstufe als auch die Dilatation in der zweiten Anlaßstufe mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Grundgitter wegen der damit verbundenen größeren tetragonalen Verspannung und des höheren Rest-Austenitgehaltes größer werden.In the process described above, austenitizing, quenching and changing Tempering depending on the carbon content of the hypereutectoid steel in which a desired Stress curve is to be achieved. Since the changes in specific volume during hardening and when tempering depend on the carbon that is dissolved in the basic lattice, care must be taken that for example with a steel with a carbon content of 1.5% during austenitizing more carbides remain undissolved, d. H. just as many carbon atoms in the basic lattice be dissolved, as in comparison with a steel with 1.0 or 0.8% carbon. It is also important to consider that both the contraction in the first tempering stage and the dilatation in the second Tempering stage with increasing carbon content in the basic lattice because of the larger ones associated with it tetragonal bracing and the higher residual austenite content become larger.

Claims

Patent claims:

1. Process for increasing the service life of roller pairings from hyper-eutectoid ferromagnetic Steel, in which at least one of its components is heated to an austenitic area of the state

909516/805

temperature in the diagram by quenching and compressive stresses are generated under the raceway surface by tempering, which correspond to the shear stresses occurring under load counteract, characterized by bringing about a maximum exhibiting internal stress profile in this rolling pair component by the following known measures are applied:

a) a higher and more uniform austenitization of the surface zones the underlying layers through

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ductile heating using the skin effect and subsequent quenching,

b) inductive tempering, again using the skin effect.

2. The method according to claim 1, characterized in that when quenching the Rolling pairing component is immersed in a salt bath of 160 to 170 ° C.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized by its application to gears or for rolls in rolling mills for sheet metal.

1 sheet of drawings