DE1521660C

DE1521660C - Verfahren zur Erhöhung der Verschleiß festigkeit von durch Kaltbearbeitung verfestig tem Metall

Info

Publication number: DE1521660C
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung C23c 13 04 Antrag
Original assignee: Automobiles M Berhet, Lyon, Rhone, Hydromecanique et Frottement, Saint Etienne Loire, (Frankreich)
Publication date: 1971-08-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Teilen, die aus einem durch Kaltbearbeitung verfestigten Metall, vorzugsweise aus rostfreiem ausienitischem 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 Reibungsbela- ίο stung 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 ao 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 haiten, 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 yon 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 zir 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 Schwefelatmo^ Sphäre bei über 500° C unterworfen.

Soll Stickstoff aufgenommen werden, so erfolgt die Aufnahme zweckmäßigerweise unterhalb 580° C nach irgendeinem Nitrierverfahren, vorzugsweise 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.

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 verschwunden, 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.

Beispiel 1

Aus einem 1,2% C und 14,5% Mn enthaltenden Stahl werden eine Welle und ein Ring mit einem jeweiligen Durchmesser von 40 mm gedreht. Die Lagerstcllen von Welle und Ring werden unmittelbar nach dem Drehen mit einem Druck von 400 kg durch zwei Rähdelwalzen 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 Rändeln 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 ± 5° C getaucht gehalten: Na₂S 0,5% NaCN 4%, KCN 4Vo, 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 0,1 mm besteht, wird ohne Schmierung in Wasser eingefäücht, wobei unter einer Belastung von 2000 kp Schwingungen mit einer Amplitude von 90°. und einer Frequenz von 2 Hz 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.

Beispiel 2

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 ⁴/io 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.

Beispiel 3

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.

Beispiel 4

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 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.

Beispiel 5

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 fest-

ao gestellten Verschleißeigenscliaften sind noch besser als bei kaltbearbeiteten Teilen, die allein in einem Salzbad mit Schwefelabscheidung oder nach einem Nitrierverfahren behandelt sind.

Claims

Patentansprüche:

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.