DE1521660B2 - - Google Patents
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- F16D2250/00—Manufacturing; Assembly
- F16D2250/0038—Surface treatment
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Teilen, die aus einem
durch Kaltbearbeitung verfestigten Metall, vorzugsweise aus rostfreiem austenitischem Stahl, Titan,
Titanlegierung oder mindestens 11% Mangan enthaltendem Manganstahl, bestehen.
Es ist bereits bekannt, als Stähle mit guten Verschleißeigenschaften
Manganstähle zu verwenden, die 12% Mangan enthalten und eine stabile austenitische
Struktur aufweisen. Unter Stoß- oder Reibungsbelastung wird das austenitische Gefüge der Oberfläche
martensitisch, dessen höhere Härte die Verschleißfestigkeit verbessert. Voraussetzung für die Bildung
des Martensits ist eine am Anfang sehr hohe, kaltverformende
Belastung, die jedoch gleichzeitig zu einer beachtlichen Abnutzung führt. Deshalb sind
hohem Verschleiß ausgesetzte Teile aus solchen Manganstählen dann..nicht verwendbar, wenn genaue
Maßtoleranzen eingehalten werden müssen.
Auch mit Chrom und Nickel legierte Stähle und Titanlegierungen haben bekanntermaßen die Eigenschaft,
daß sich durch Kaltbearbeitung ihre Härte erhöhen und somit ihre Verschleißfestigkeit verbessern
läßt.
Weiterhin ist bekannt, zur Erhöhung des Widerstands gegenüber Fressen und zur Verbesserung der
Verschleißfestigkeit Werkstücke in geschmolzene Salzbäder einzubringen. Diese Bäder enthalten
Schwefel (deutsche Auslegeschrift 1009 885), Zyanide
oder Zyanate, um das Bad reduzierend zu halten, Selen oder Tellur (deutsche Auslegeschrift
1 050 147) und andere inaktive Substanzen, beispielsweise Chloride. Die Temperatur dieser Bäder liegt
bei etwa 500° C. Die erhöhte Verschleißfestigkeit und die verbesserten Freßeigenschaften ergeben sich
auf Grund einer Anreicherung der Oberfläche mit Schwefel, Selen oder Tellur.
Eine ähnliche Verbesserung der Oberflächeneigenschaften erhält man bekanntermaßen durch die Anreicherung
von Stickstof! oder Kohlenstoff, der in die Oberfläche diffundiert, beispielsweise durch Verwendung
eines Weichnitrierverfahrens, durch Einblasen von Luft in ein Salzbad.
Die vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren haben jedoch alle den Nachteil, daß trotz verbesserter
Verschleißeigenschaften der nach diesen Verfahren behandelten Werkstücke diese unter hoher
Beanspruchung eine relativ geringe Lebensdauer haben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zu schaffen, das den
danach behandelten Werkstücken eine hohe Verschleißfestigkeit und" einen extrem hohen Widerstand
gegen Fressen verleiht, so. daß die Lebensdauer der hochbeanspruchten Teile einen sehr hohen Wert erreicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße dadurch gelöst, daß die Kaltbearbeitung der Reibungsflächen
tiefgreifend ausgeführt wird, wonach diese Flächen einer an sich bekannten Behandlung einer Salzschmelze
oder Gasatmosphäre zum Einbringen mindestens eines der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Selen oder Tellur unterworfen
werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Kaltbearbeitung durch Rändeln oder Hämmern mit einem geriffelten
Hammer.
Die Wärmebehandlung wird zweckmäßigerweise bei 400 bis 590° C während einer Dauer von 1 bis
6 Stunden durchgeführt.
Soll Schwefel aufgenommen werden, so werden die Teile einer Wärmebehandlung von wenigstens zwei
Stunden in einem Bad oder einer Schwefelatmosphäre bei über 500° C unterworfen.
Soll Stickstoff aufgenommen werden, so erfolgt die Aufnahme zweckmäßigerweise unterhalb 580° C
nach irgendeinem Nitrierverfahren, vorzugsweise
ίο durch Weichnitrieren. Eine weitere Verbesserung der
Oberflächeneigenschaften erhält man, wenn man nach dem Nitrieren-das Teil einer wenigstens zwei
Stunden dauernden Behandlung in einem Schwefelbad bei über 400° C aussetzt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens soll an Hand einer aus Welle und Ring bestehenden Reibpaarung
näher erläutert werden, wobei sich die Welle in dem Ring jeweils bei gleicher Drehzahl und gleicher
Belastung dreht.
Wenn die Paarung aus einem 12% Mangan enthaltendem Stahl hergestellt ist, ergibt sich nach 200 Betriebsstunden
eine sehr starke Erwärmung, die zu einem Festfressen der Welle nach 320 Betriebsstunden
führt.
Werden die Oberflächen der vorstehenden Reibpaarung gerändelt, so beginnt eine immer; stärker
. werdende Erwärmung nach etwa 290 Betriebsstunden, das Festfressen tritt nach 455 Stunden ein.
Behandelt man die zuerst geschilderte Reibpaarung in einem geschmolzenen Salzbad zur Erzeugung geschwefelter Oberflächenschichten, so stellt man fest, daß die Erwärmung ab einer Betriebsdauer von 230 Stunden stark zunimmt und Welle und Ring spätestens nach 300 Stunden festfressen.
Behandelt man die zuerst geschilderte Reibpaarung in einem geschmolzenen Salzbad zur Erzeugung geschwefelter Oberflächenschichten, so stellt man fest, daß die Erwärmung ab einer Betriebsdauer von 230 Stunden stark zunimmt und Welle und Ring spätestens nach 300 Stunden festfressen.
Eine erfindungsgemäß behandelte Reibpaarung aus dem vorstehend genannten Manganstahl zeigt nach
180 Stunden eine geringe Glättung der Spitzen und Rillen, die bis 500 Betriebsstunden etwas zunimmt
und dann konstant bleibt. Nach 856 Betriebsstunden sind die Rändelungsrillen nahezu vollständig verr
schwunden, es zeigen sich, leichte Reibungsstreifen, eine Spur von Festfressen ist jedoch nicht erkennbar,
so daß die Lebensdauer über die genannten 856 Betriebsstunden hinausgeht.
Diese Wirkung ist insofern äußerst überraschend, da zu erwarten gewesen wäre, daß die Lebensdauer
einer durch Rändeln kaltbearbeiteten und in einem Salzbad mit Schwefelabscheidung behandelten Reibpaarung
aus Manganstahl über 760 Betriebsstunden
nicht hinausgeht.
An Hand der nachstehenden Beispiele wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.
Aus einem 1,2% C und 14,5% Mn enthaltenden Stahl werden eirie>
Welle und ein Ring mit einem jeweiligen DurchöieSs'ejrlvon 40 mm gedreht. Die
Lagerstellen von Welle und Ring werden unmittelbar nach dem Drehen mit einem Druck von 400 kg
durch zwei Rändelwalzen mit einem Durchmesser von 20 mm gerändelt, so daß man zwei Rillengruppen
erhält, die 0,15 mm tief, 1 mm voneinander entfernt und zueinander unter einem Winkel von +15°
gegen die Achsrichtung geneigt sind. Durch das Rändein wird eine Verdickung von etwa 0,05 mm erzeugt,
so daß für die Einstellung des ursprünglichen Maßes ein leichtes Abschmirgeln erforderlich ist. Das
Schliffbild der auf diese Weise kaltbearbeiteten Teile
zeigt in einem Quadrat von 0,01 · 0,01 mm Kantenlänge in den weißen Austenitfeldern vier schwarze
Linien, die mehr als 0,3 mm tief eindringen. In diesem
Bereich ist die anfängliche Härte von 70 kg/mm2 bis auf 190 kg/mm2 angestiegen.
Nach dieser Kaltbearbeitung werden die Teile drei Stunden lang in einem Salzbad der nachstehenden
Zusammensetzung bei einer Temperatur von 585 ± 50C getaucht gehalten: Na2S 0,5 °/o NaCN 4%,
KCN 40/0, NaCNO 16%, KCNO 17 %, NaCO3
+ K2CO3 31%, Rest KCl + NaCl.
Nach dieser Behandlung ist die Härte der übrigen Bereiche der Teile von 70 auf 125 kg/mm2 gestiegen.
Die Härte in der gerändelten Oberflächenzone bleibt unverändert, die im Schliffbild sichtbaren schwarzen
Linien weisen feine, dichte Ausscheidungen auf.
Die so behandelte Reibpaarung Welle und Ring, zwischen denen ein "Spiel von 0,1mm besteht, wird
ohne Schmierung in Wasser eingetaucht, wobei unter einer Belastung von 2000 kp Schwingungen mit einer
Amplitude von 90° und einer Frequenz von 2Hz aufgebracht werden. Auch nach 500 Stunden ist der
Oberflächenzustand der Paarung hervorragend und der Reibungskoeffizient unverändert.
Demgegenüber zeigt eine Paarung aus nur gerändeltem Manganstahl bereits nach 12 Stunden Freßspuren
und ein starkes Anwachsen des Reibungskoeffizienten. Bei einer lediglich in dem vorstehend
beschriebenen Bad behandelten Paarung aus Manganstahl ist bereits nach 30 Betriebsstunden ein Abblättern
der Oberflächenschichten feststellbar.
Ein Teil aus kaltverformtem und gerändeltem Manganstahl wird in eine auf 560° C erhitzte Salzschmelze
getaucht, die Zyanide und instabile Kaliumzyanatisomere enthält. Bis in eine Tiefe von 4Ao mm
von der Oberfläche aus sind an den schwarzen Linien im Schliffbild Ausscheidungen festzustellen, wie sie
auch in Beispiel 1 zu sehen waren. Die Erhöhung der Verschleißfestigkeit entspricht in etwa der von Beispiel
1.
Eine aus einem Stahl mit 18 % Cr, 8% Ni und 3 % Mo hergestellte Reibpaarung mit den Abmessungen
wie bei Beispiel 1 wird bei einer Belastung von 2000 Kp Schwingungen mit einer Amplitude von 90°
und einer Frequenz von 1 Hz getaucht in Wasser von 20° C ausgesetzt. Bei der Paarung ist ein Festfressen
bereits nach wenigen Minuten festzustellen. Wird die Paarung aus dem genannten Stahl gerändelt und in
dem Bad gemäß Beispiel 1 behandelt, so ist auch nach 50 Betriebsstunden der Zustand der Oberfläche
zufriedenstellend. Wird die gerändelte Oberfläche statt einer Schwefel- einer Nitrierbehandlung ausgesetzt,
so ist nach der gleichen Betriebszeit ein ebenfalls zufriedenstellender Oberflächenzustand zu erkennen.
Aus einer 0,02% C, 2,7% Cr und 1,5% Fe enthaltenden Titanlegierung werden Teile mit den Abmessungen
von Beispiel 1 hergestellt. Die Teile werden mit Rändelwalzen von 20 mm Durchmesser und
mm Breite gewalzt, wobei die Rillen wenigstens 60° gegen die Gleitrichtung geneigt sind. Wenn die
gerändelten Teile in dem Salzbad gemäß Beispiel 1
S behandelt sind, stellt man fest, daß sie in Wasser bei Umgebungstemperatur unter einer Belastung von
Kp bei Schwingungen mit einer Amplitude von 90° und einer Frequenz von 1 Hz zehn Stunden störungsfrei
arbeiten. Nicht erfindungsgemäß behandelte
ίο Teile fressen sofort.
Ein aus Manganstahl hergestelltes, kaltbearbeitetes Teil wird zwei Stunden lang in ein nitrierendes SaIzbad
von 560° C getaucht, das eine Mischung von Alkalizyanaten und -zyaniden enthält (Weichnitrierverfahren).
Nach dem Nitrieren bringt man das Teil zwei Stunden lang in ein Salzbad gemäß Beispiel 1
bei einer Temperatur von über 500° C. Die festgestellten Verschleißeigenschaften sind noch besser
als bei kaltbearbeiteten Teilen, die allein in einem Salzbad mit Schwefelabscheidung oder nach einem
Nitrierverfahren behandelt sind.
Claims (7)
1. Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Teilen, die aus einem durch Kaltbearbeitung
verfestigten Metall, vorzugsweise aus rostfreiem austenitischen Stahl, Titan, Titanlegierung
oder mindestens 11 % Mangan enthaltendem Manganstahl bestehen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kaltbearbeitung der Reibungsflächen tiefgreifend ausgeführt wird, wonach
diese Flächen einer an sich bekannten Behandlung in einer Salzschmelze oder Gasatmosphäre
zum Einbringen mindestens eines der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Selen
oder Tellur unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltbearbeitung durch
Rändeln erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltbearbeitung durch
Hämmern mit einem geriffelten Hammer erfolgt.
4, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung bei 400 bis 590° C während einer Dauer von 1 bis 6 Stunden durchgeführt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufnahme von Schwefel
die Teile einer Wärmebehandlung von wenigstens zwei Stunden in einem Bad oder einer Schwefelatmosphäre
bei über 500° C unterworfen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufnahme von Stickstoff
diese unterhalb von 580° C mit Hilfe eines Nitrierverfahrens, vorzugsweise Weichnitrierens,
durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Nitrieren das Teil
einer wenigstens zwei Stunden dauernden Behandlung in einem Schwefelbad bei über 400° C
ausgesetzt wird.
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