DE1521660A1 - Reibungselemente,die besonders gegen Abnutzung durch Abrieb widerstandsfaehig sind - Google Patents
Reibungselemente,die besonders gegen Abnutzung durch Abrieb widerstandsfaehig sindInfo
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Description
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R, i ;unaselenent",es..,die bge2nd renen lbnu, ta. durch Abrieb widegstandstähin Man hat sich seit langen damit betaßt, Beibungselenente zu schoflen, deren Abnutzungsgeschwindigkeit bei fehlender oder auf Zufall beruhender Schnierung und in Gegenwart abschleifen- der Körner unbedeutend bleibt. Diese Beschäftigung fand in zahlreichen Industriezweigen statt, die sich s.B. vor Probleme gestellt sahen, die durch die Abnutzung von Organen, wie Zahn- radübersetzungen und Lagern, die in der Atmosphäre von Zement- fabriken arbeiten, Bohwingaohsen von ?adern an den Eisenbahn- wagen, federnde Schwingmohren der Straßenfahrzeuge oder von Kaschinen für öffentliche Bauten, Bergwerkssaterial unter an- deren, entstanden sind. Man kennt schon seit langen die Widerstandseigenschaften gegen Abnutzung der übereutektisohen Stähle, die mindestens 12 % Bangen enthalten, die allgemein als "Hadfield-8tühle" beselohnet werden. Zur Zeit werden diese Stühle In allgemeinen in Zustand der überhirtung benutzt, d.h. mit einer stabilen austenitischen Struktur, wobei sich der Äustenit der Ober- fläche unter der Wirkung der Belastungen, die durch die Reibung, den Abrieb und die Erschütterungen hervorgerufen werden, in eine Art Martensit umwandelt, der sehr hart ist und der Abnutzung beachtlichen Widerstand leistet. In allen pällen ist die Art der Verwendung zwei Bedingungen unterworfen, die die Anwendung beschränken. Einerseits müssen die anfänglichen Belastungen eine bestimmte Schwelle überschreiten, unterhalb derer die Kalt- verformung nicht erfolgen könnte, andererseits ist man gezwun- gen, eine anfänglich im allgemeinen sehr beachtliche Abnutzung susulassen,in der Zeitspanne, die für die Bildung der kalt- verformten Schicht nötig ist. Ein Beispiel der ersten Unannehm- lichkeit ist durch die Brecherkugeln gegeben, die einen beacht- lichen Widerstand in den Zementbrechern darstellen, die aber austenitisch bleiben und sich schnell in den Gipsbrechern abnutzen. Die zweite Unannehmlichkeit ist die Unmöglichkeit, die Radfield- 8tUae für Teile zu verwunden, deren anfängliche genaue Maße bis auf weniges beibehalten werden müssen. Xhuliohe Erscheinungen werden bei den nicht oxydierenden austenitischen Stählen beobachtet, wie s.B. den gewöhnlichen nichtrohatenden Stählen, die einen erheblichen Gehalt an susäts- liohen Elementen aufweisen, wie des Chrom und das Nickel, und die legierten Ubereutrektisohen Stähle, die den Gewicht nach 11 bis 14 4 Mangan, 1 bis 1,3 > Kohlenstoff, nioht mehr als 0,60 % 8ilia lum und Verunrelniguitien in gewühnl ioheo Mengen enthalten, wobei der Rest aus Eisen besteht;. Endlich zeigen, was das Härten angeht, Titan und seine Legierungen Eigenschaften ähnlicher Art sowie die Unannehmlich- keiten, die sich daraus ergeben. Alle Metalle und Legierungen, die oben aufgeführt sind, haben die übliche Eigenart, bei Haltveiformung zu erhärten, wobei sie anschließend in ihrer kristallinen Oberflächenstruktur eine große Dichte der Gleit- flächen aufweisen. Ziel der Erfindung ist es, ausgehend von einem metalli- schen Material, des die oben angegebenen Eigenschaften besitzt, Teile zu erhalten, die sogleich nach der Inbetriebnahme einen beachtlichen Widerstand gegen das Festfressen und die Abnutzung haben. Asch der Erfindung unterwirft man Teils, die aus einem metallischen Material hergestellt sind, das durch Kaltverformung gehärtet werden kann, wobei es in seiner kristallinen Oberflächen- struktur eine große Dichte ier Gleitflächen bietet, einer tiefgehenden Kaltverformung, die derart durchgeführt wird, daß sie auf der Oberfläche der Teile Streifen hervorruft, die zu der vorgesehenen Richtung der Reibung genau senkrecht verlaufen. Nach dem Kaltverformungeverfahren bringt man in die Oberfläche wenigstens eia Element, das aus der Gruppe der Betalloide oder der Übergangsmetalle ataast, wobei die Netalloide und Ubergangs- netalle eine der zwei Eigenschaften besitzen, von denen die eine in der Fähigkeit besteht, auf der Oberfläche der Teile durch Reaktion mit den daunter befindlichen Metall eine ionische Verbindung niederzuschlagen, und die andere in der Fähigkeit, ihre Atome in die Struktur des darunter liegenden Metallen einzufügen, wodurch eine feste Lösung der Einfügung ent- steht. Diese Vereinigung wird mit Hilfe wenigstens einer ther- mischen Behandlung realisiert, die in einem Fluidum vorgenom- men wird, wie in einem Salzbad oder einer Gasatmosphäre, die das einzufügende Element enthält. Die Kaltverformung kann z.B. durch (Rändel-) Walzen oder durch Behämmern erfolgen. Im Falle des Walzens,das vor- zugsweise angewandt wird, wenn die kalt zu verformenden Teile plane oder durch Drehen gebildete Oberflächen haben, müseen die Rändelwalzen so ausgebildet sein, daB die Streifen, die sie durch Schmieden in die Oberfläche des Teiles eindrücken, in einer Richtung verlaufen, die genau senkrecht zu der vor- gesehenen Reibungsrichtung ist. Im Falle, daß die kalt zu ver- formenden Stücke weder eben noch rund sind, hat man Vorteile, wenn man einen Hammer mit geriefelter Schlagfläche verwendet. Man wird vorteilhafterweise als minimale Kaltverformungs- last annäherungsweise für eine Walze von einen Durchmesser von 20 mm und einer Länge von 10 mm eine Belastung in kp vorsehen, die genau gleich ist der Elastisitütsgrense des kalt zu verformenden Materials in kg/» 2. Als tagenkherte maximale Belastung wählt man vorteilhafterweise diejenige, die der geonetrisahen lorn des kalt zu verformenden !'eilen Rechnung trägt, und in der Annahme, daß die walze glättet, sind die periodischen Drücke gleich der dreifachen Elasti- zitätsgren$e des Materials. Die thermische Behandlung oder die thermischen Behand- lungen werden derart durchgeführt, daß man an der Oberfläche eine Vereinigung mit einem oder zwei Metalleiden oder einem über- gangemetall erhält, den in der Lage ist, an der Oberfläche den Teiles zum Beispiel eine ionische Verbindung durch Reaktion mit dem darunterliegenden Metall niederzuschlagen oder seine Atome in die Struktur den darunter liegenden Metallos einzufügen, wobei eine teste Lösung der Einfügung entsteht. Diese Übergangs- metalle oder diese Metalleide können zum Beispiel Stickstoff, Schwefel, Selen, Tellur unter anderem sein. Die Einfügung eines Metalleides oder eines Ubergangsne- talles -wie weiter oben erläutert - in die kalt verformte Schicht erreicht man durch eine Behandlung den gewalzten Tei- les in einem Salzbad oder in einer ßasatnesphüre. Zum Einfügen den Schwefels in die Oberflüche wird den kaltvertorate Teil in einen ƒchwetel-8alzbad oder einer Schwe- fel-Atmosphäre eine Zeit von mindestens zwei Stunden bei einer Temperatur höher als 500°a behandelt. Eine solche Behandlung kann s'.8. mit Eilte eines Verfahrens durchgeführt werden, das in ?raniroioh unter der kommerziellen Bezeichnung "8ultinus" bekannt Ist. ]Co versteht sich, daß alle gleichen oder lhnliohen Verfahren mit Salzbad oder Gasatso- s#Kre, die inne Oberflächengefüge- oder Obertlüchenniedersohlags- - Bei dem "ßulfintiz"-Verfahren werden die Teile auf etwa 300 bis 350°a vorgewärmt, dann während einer Dauer von 2 - 6 Stunden in ein Salzbad getaucht, das auf einer Temperatun von etwa 570°C gehalten wird und das aus einer inaktiven Basis, wie Chloride und alkalische und erdalkalische Karbonate, die es ermöglichen, einen Schmelzpunkt unter 500°C zu erreichen, Schwefelverbindungen, deren Wirksamkeit überwiegt und Zyanüre und Zyanate zum Schutz der Schwefelverbindungen dadurch, daD das Bad im Reduktionsmittel gehalten wird. In bestimmten Sonderfällen kann die Behandlungstemperatur im Salzbad oder in der Gasatmosphäre entsprechend der Zusammensetzung des Baden, a.B. wenn es Schwefel und eine Zyaneisenverbindung enthält, geringer als 570°C sein, wobei die Schwefelwirkung ab 400°C eintreten kann.
- Die angenäherte Zusammensetzung eines "Bulfinua"-Bades wird nachstehend beispielsweise angegeben!
Schwefel 0,5 alkalische Zyanüre 8 9: alkalische zyanßaure Salze 27 (Zyanate) alkalische Ohloride 33 i6 alkalische Karbonate .51s5 - Man kann gleichfalls nach der Erfindung ein Verfahren benutzen, das unter der kommerziellen Bezeichnung "Tinifer" bekannt ist, oder gleiche oder ähnliche Salzbad- oder Gasumgebungs-Verfanren benutzen, die Oberflächengefüge- oder Oberfl.ächeniederschlagsschichten erzeugen, die denjenigen ähnlich oder gleich sind, die man nach dem "Tßnifer"-Verfahren erhält.
- Die letztere, das gleichfalls in den angelsächsischen Ländern bekannt ist unter der Bezeichnung "Tufftride" ist ein mildes Nitriervertahren, das es erlaubt, auf den Stahl- teilen einen äußeren Niederschlag zu erzeugen, der Eisenkohlenstoffverbindungen und Eisenstiekatoffverbindungen ent- hält, der eine in das Eisen diffundierte Stickstoffschicht vollstündig bedeckt. Dieses Ergebnis kann s.B. dadurch er- halten werden, daß man das Teil während einer ausreichenden bestAten Dauer, z.B. während 2 Stunden, in ein Salzbad taucht, das auf eine Temperatur zwischen 550 und 530°C, z.B. auf 565°C erwärmt ist,und das ungefähr 32 bis 45 96 alkalische Zyanate, z.B. 45 % Ealiussyanat enthält, und ungefähr 50 bis 55 % alkalische Blausäureterbindungen, z.B. 55 96 Zyankalium, wobei das Bad durch Lufteinblasen ungerührt wird.
- Die Ergebnisse, die man erhalten hat, gleichen genau den- jenigen, die man feststellt nach einer Schwefelbehandlung, wie nach dem "Bultinus"-Verfahro.
- Übrigens kann man - und immer nach der Erfindung - die kaltverformten Teile vorteilhatterweise nacheinander einer Nitrierung wie beim "Tänifer"-Verfahren aussetzen und dann einem Schwefelverfahren, z.8. nach dem "6ulfinuz'-Verfahren.
- verschiedene Möglichkeiten der Durchführung des Verfah- rens nach der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Bei- spielen: Beispiel 1 Eine Welle und Ringe von einem Durchmesser von 40mal die aus einem Stahl Im übergehärteten Zustand angefertigt sind, enthalten in Gewichten 1,2 % Kohlenstoff und 14,5 % Mangan. Sofort nach den Drehbankarbeiten, sind die Lagerstellen der belle und die entsprechenden Lagerstellen der Ringe mit einem Werkzeug gewalzt worden, das sich mit einem Druck von
400 kg auf die Teile auflegt, wobei zwei Walzen von einem Durchmesser von 20 mm zwei Gruppen von Streifen ergeben, die 0,15 am tief sind und 1 mm voneinander entfernt sind und gegenseitig unter einem Winkel von ± 15o gegen die Erseuguags- richtung geneigt sind. Die Walzen haben unter diesen ]Bedin- gungen viersehr. Hin- und Beraiinge ausbeftihrt. »er Walsrorgang ruft eine leichte Anschwellung von ungefähr 0,05 m1 hervor und das Teil wird leicht durch leichtes Polieren mit Schmirgel- leinen auf sein anfRnglieh®s Maß zurückgeführt. Die Teile, Welle und Ringel die so kaltverforat sind, bieten im 8ohnitt schlag den $ohlenatofteisens und den Mangsns zuzuschreiben irt. In der Oberflächenzone der Gleitlinien, die man durch den V"en erhalten hat, bleibt die Härte unverändert und alle ehemaligen Gleitliuien, auch die tiefsten, sind die Stelle der freien und dichten Niederschläge. Die Prüfungen der Welle und der Ringe, die so behandelt worden sind, zeigen außerordentlich gestiegene Leistungen und sind kein gaseinsames riaß mit denjenigen, die man erhält, weun alle anderen Dinge gleichbleiben, entweder mit "Hadfield"- 8tahl, der gewalzt, aber nicht nach den "ßulfinuz"-Verfahren behandelt ist, oder mit "Hadfield"-Btahl, der nicht gewalzt, aber nach den "8ulfinus"-Verfahren behandelt ist. Untar diesen Bedingungen zeigen eine Welle und ein Ring aus "Hadfield"-Stahl, der gewalzt und nicht "Sulfinuz"- behandelt ist, Reibspuren mit starkem Anwachsen des Reibungs- koeffizienten nach 12 Stunden. Rin Ring und eine Welle aus "Hadfield's-Stahl, nicht gewalzt aber ":Sulfinuz"-behandelt, zeigen Versagen durch Abblättern nach 30 Stunden, im Gegen- satz hierzu haben die nach dem erfindungsgemäß durchgeführten Beispiel behandelten Welle und Ring 500 Stunden 'schwingen können unter Beibehaltung des vortrefflichen Oberflächenzu- standes und ohne Änderung des Reibungskoeffizienten. 2 i Brrre18rD@irerl Ein Teil aus kaltverformtem und gewalztem "Hedfield"-Stahl ist in ein flüssiges Salzbed mit einer Temperatur von 560°C getaucht worden, das Zyanüre und unstabile Isomere von äalium- syanat enthält. Nach dem Eintaucher. in dieses Bad, wovon eines der Typen unter dem kommerziellen Namen "Tgnifer" bekannt ist, stellt man diedeben Niederseblüge auf den Gleitflächen tost, ohne Steigerung der rohärte auf den vier ersten Zehnteln - Beispiel 3 Eine Welle und Ringe derselben Dimension wie diejenige in Beispiel 1 sind aus einem erstrangigen nichtrostenden Stabl hergestellt, mit 18 % Cr, 8 % Ni und 3 96 ko Gewichts- anteilen. Die Versuche wurden durchgeführt unter der Behand-lung gemäß der Erfindung, genau unter den gleichen Versuchs- bedingungen wie die Teile nach dem Beispiel.. 1, d.b. wit einer .Amplitude der Schwingungen von 900, einer Frequenz von 1 RL und einer Belastung von 2000 Kp, wobei dis Ganze in Wasser von 200C eingetaucht ist, und das Festfressen unvermeidlich in weniger als einigen Minuten einsetzte. Dagegen kann eine gewd zte und der Schwefelbehandlung unterzogene gleiche Welle während mehr als =0 Htundea schwingen unter Beibehaltung eines zufriedenstellenden Zustandes der Oberfläche. Den gleichen Vorteil hat man mit Eilte eines Nitriervertahrens erhalten.
Beiariel 4 Teile aus Titan oder Titanlegierungen sind einer Ialt- vetorsung unterworfen worden, der für einen Teil eine ßchwefel- behandlung in Wärme und für den anderen eine Otickstoftbehand- lung folgte. lach den Anwendungen des Verfahrens nach der Er- findung bieten sie alle nach den Gebrauch einen beachtlichen Widerstand gegen Peettressen und Abnutzung. - Wenn die Probekörper nach dem "Sulfinuz"-Verfahren bear- beitet sind, können sie ohne Zwischenfall 10 Stunden lang unter einer Belastung von 200 Sp schwingen, wobei die Ampli- tude 900, die Frequenz 1 Hz beträgt bei Umgebungstemperatur und Wasser als Umgebungsmittel. Unter denselben Bedingungen fressen sich dieselben, nicht nach der Erfindung behandelten Probekörper sofort fest.
Beispiel 5 : lach der galtverfornuns wird ein Stück "Nadfield%-8tahl 2 Stunden lang in ein nitrierendes Salzbad von 56000 einge- taucht, wobei dieses Bad aus einer Ni®chug von alkalischen Zyanaten und Zyanüren gemäß den "Tinifer"-Verfahren besteht. lach diesem schwachen Nitrieren setzt man das Teil der Schwefeleinwirkung eines Bades aus, wie derjenigen des Vor-
Claims (1)
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P a t e n .'t an",e E r ii c h e 1.) 'erfahren zur Herstellung von Metallteilen, die einem Fentfressen und einer Abnutzung durch Reibung hohen Widerstand bieten, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man die Teile, die aus ei»em metallischen Material hergestellt sind, das zur Härtung durch Kaltverformung geeignet ist, wobei in seiner kristallinen Oberflächenstruktur eine große Dichte in den Gleitflächen entsteht, einer tiefgreifenden Kaltverformung unterwirft, die derart durchgeführt wird, daB man an der Ober- fläche der Teile Streifen erzeugt, die genau senkrecht zu der vorgesehenen Reibungsrichtung verlaufen, wonach man mit der Oberfläche wenigstens ein Element vereinigt, das man aus der Gruppe der Metalloide und der Übergangsmetalle ausgesucht hat, wobei die Metalloide und Übergangsmetalleeine der zwei Eigenschaften besitzen, von denen die eine in der gähigkeit besteht, auf der Oberfliahe der seile eine ionische Verbindung durch Reaktion mit dem darunter liegenden Metall niederzu- schlagen, und die andere in der äähigkeit, ihre Atome in die Struktur des darunter liegenden Metalls einzufügen, wobei eine feste Lösung der Einfügung gebildet wird, wobei die besagte Vereinigung mit Eilte wenigstens einer thermischen Behandlung verwirklicht wird, die einen Pluidum wie einen Salzbad oder einer Gasatmosphäre, worin das einzufügende Blesent enthalten in*. 5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Element, das eine der zwei erwähnten Eigenschaften besitzt, aus der Gruppe der Metalloiden ausgesucht ist, Wasserstoff, Kohlenstoff oder Schwefel ist. 6.) Verfahren nach eines der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß das genannte Element, das eine der zwei erwähnten Eigenschaften besitzt und aus der Gruppe der Übergangsnetalle ausgesucht ist, Selen oder Tellur ist. @.) Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der erwähnten thermischen Behandlung wenigstens *im Stunde beträgt, wobei die Temperatur wenigsten 400 o C beträgt. 8.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daB im Falle das Element Schwefel ist, die Teile einer thernirchen Behandlung von wenigstens zwei Stunden in einem Bad oder einer Schwefelatmosphäre bei einer Temperatur üher 5000 4 unterwor- fen sind. 9.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daB im lalle der Einfügung von Stickstoff diese unter einer maxi- malen Temperatur von 5800 C mit Hilfe irgendeinen wirksamen Nitrierverfahrens durchgeführt wird. 10.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daB nach dem Nitrieren das Teil einer wenigstens zwei Stunden dauernden Behandlung in einem Schwefelbad bei einer Temperatur von wenigstens 440° 0 ausgesetzt ist. 11.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daB nach den Nitrieren das feil einer wenigstens zwei Stunden dauernden Behandlung in einer Schwefelatmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 400 o 0 ausgesetzt ist.
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