DE2023101A1

DE2023101A1 - Verfahren zur Herstellung von Innenringen von Kugellagern

Info

Publication number: DE2023101A1
Application number: DE19702023101
Authority: DE
Inventors: Faunce Richard L; Justusson William M
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-05-12
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1292723A; FR2052276A5; DE2023101B2; ZA703618B; SE375800B; CH540982A; JPS5031529B1; US3595707A

Description

Ford-Werke Aktiengesellschaft Verwaltung KÖIn-Deutz

Ottoplatz2

PoefnschfHt: FoctHWetto AQ ■ SKflln 21 ■ Pottt»ch 210389 Telefon: "(0221) 8251

___ Telex: 8873311

Telegramme: fordmotor Ihre Zeichen IhreNachrieht Telefon {0221) 825- Unsere Zeichen

Z/DR-2 Ri uk

Patentanmeldung

Verfahren zur Herstellung von Innenringen von Kugellagern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Innenringen von Kugellagern aus einem legierten Stahl enthaltend 1,00 % C, 0,35 % Mn, 0,30 % Si, 1,45 % Cr, Rest Eisen oder aus einem Stahl mit gleichen metallurgischen Eigenschaften.

Lager und insbesondere Kugellager waren in der letzten Zeit Gegenstand von intensiven Forschungen. Diese Forschungen haben zusammen mit der Möglichkeit, im Vakuum entgaste Stähle sehr rein herzustellen, zur Fertigung von Lagern mit sehr viel längerer Lebensdauer und höherem Lastaufnahroevermogen geführt.

Das kritische Teil bei Kugellagern ist insoweit der Innenring. Hier können Ermüdungserscheinungen auftreten, wenn wiederholt an einzelnen Stellen hohe Lasten aufgebracht werden, wenn die Kugeln über dem Innenring abrollen.

Die auf dem Gebiete des Kraftfahrzeugbaues verwendeten Kugellager sind in der Regel aus einem Stahl gefertigt, der der Spezifikation SAE 52100 entspricht.

US-16 / 30. April 1970 - 2-,

00916a/1472

Df.Www 1./mifik · HtfShMotiUt**** ■ P#iÜ$i*n ■ HemannMiW > HMWiehaMre« · HMHtohnkft

- 2 -Ein Stahl dieser Spezifikation besteht aus folgenden Komponenten:

C	0,95 -	1,10
Mn	0,25 -	0,45
B	0,025
S	0,025
Si	0,20	0,55
Cr	1,30 -	1,60

Der Stahl SAE 52100 ist ein wirtschaftlich herzustellender, hypereutektoider Stahl, der in der Handelsform von nahtlosen Rohren gekauft werden kann. Zur Herstellung von Innenringen werden in der Regel ringförmige Abschnitte abgetrennt. Die Ringe werden maschinenbearbeitet, einer Wärmebehandlung unterzogen und dann auf endgültiges Mass geschliffen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Herstellung von Teilen mit wesentlich vergrösserter Lebensdauer erlaubt, ohne dass die Herstellungskosten sich wesentlich verändern« Als Mass für die Lebensdauer wird hier betrachtet der sogenannte B-IO Wert, d· h.„ die Zeit, die verstreichen nuss, bis 10 % einer unter festgelegten und überwachten Bedingungen geprüften Anzahl von Lagern versagt hat.

Das erfindungsgemässe Verfahren enthält folgende Verfahrensschrittes

a) das Material wird auf eine Temperatur erwärmt» bei der eine voll-, ständige austenitische Struktur erzielt wird;

b) bei dieser Temperatur wird die gewünschte Worm d@s Teils geschmiedet} '

c) das Teil wird dann mit Luft abgekühlt und -vnase ausroicheBd rasch, so dass die Bildung von massives Ifepbidf» v®s$iiBd©Ft wird» jedoch eine sehr fein verteilte perlltiseis® Btstukta* ©waidst wird3

. i

ÜS-16 / 30. April 1970 ' ' ■■' , . ORIGINAL"INSPEÖTEÖ 3 - ι

008852/U72

d) das Teil wird auf 647 bis 85O⁰C erwärmt und solange auf diesem Temperatumiveau gehalten, bis ein gleichmässig verteiltes, vorherrschend aus sphärisch geformten Partikeln aus Primärkarbid bestehendes Gefüge in der Grössenordnung von 2 bis 5 Mikron entstanden ist, wobei diese Erwärmung eine Ruheperiode bei einer Temperatur enthält, die knapp oberhalb der Temperatur liegt, bei der Austenit gebildet wird, und wobei die Zeitspanne für die Einhaltung dieser Temperatur so bemessen ist, dass sich genügend Kohlenstoff im Gamma-Eisen lösen kann, so dass bei Auflösung des Gamma-Eisens bei Abkühlung der gelöste Kohlenstoff wegen der vorhandenen kleinen Kohlenstoffkerne ausfällt und Kohlenstoffpartikel in der Grosse von ? bis 5 Mikron entstehen?

e) das Teil wird gehärtet bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne, die es verhindert, dass Karbide entstehen, Jedoch ausreichend ist, ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen Austenit und ungelösten Karbiden zu schaffen;

f) das Teil wird sodann in einem Medium, das etwa die Abkuhlgeschwindigkeit von Öl besitzt, abgeschreckt und anschliessend auf eine, Rockwellhärte R 60 bis 64 angelassen.

Der für die erfindungsgemässe Ausführung benutzte Stahl ist ebenso wie der vom Stand der Technik benutzte der Stahl nach der Spezifikation SAE 52100. Er wird , edoch nicht in der Handelsform von Rohren verwendet, sondern in der Form von Scheiben«

Das Ziel der Wärmebehandlung zur Erreichung einer sphärischen Struktur ist der Wunsch, gleichförmig verteilte Primärkarbide zu erhalten, die ausreichend gross sind, um ein wirtschaftliches Schmieden durchzuführen, die jedoch nicht so gross sind, um die Lebensdauer der Lager zu beeinträchtigen, in die die fraglichen Teile als Innenring eingebaut werden sollen. Die optimale Grosse des Primärkarbids liegt in einer Partikelgrösse zwischen 2 und 5 Mikron.

US 16 -Ό April 1970 - 4 -

009852/1Λ72

■'. - 4 - , ■',■_■

Eine solche Ausbildung hat zur Folge, dass die Lebensdauer der Lager etwa viermal so gross ist, verglichen mit Lagern herkömmlicher Bauart, die aus von Rohren abgeschnittenen Teilen gefertigt werden. Dazu kommt, dass die erf indungsgemä'ssen Teile bezüglich der Werkzeugstandzeiten bei der Maschinenbearbeitung keine zusätzlichen Probleme schaffen.

Ein typisches Beispiel für die Wärmebehandlung zur Erzielung eines sphärisch ausgebildeten GefUges zur Erreichung von Karbiden in der GrÖssenordnung von 2 bis 5 Mikron 1st im folgenden beschrieben.

Die Teile werden erst auf eine Temperatur von etwa 75O°C erwärmt und bei dieser Temperatur drei Stunden gehalten. Diese Temperatur liegt unterhalb des Punktes, bei dem Austenit gebildet wird. Die Temperatur wird dann bei einem Wert von 77O°C gehalten, der oberhalb des Punktes liegt, bei dem der Austenit sich zu bilden beginnt durch die Lösung von Kohlenstoff im Gamma-Eisen. Nach einem Aufenthalt von drei Stunden bei dieser Autenit bildenden Temperatur werden die Lagerringe dann weitere frei Stunden bei <üiner Temperatur von 75O°C gehalten. Vcn diesem Temperaturniveau wird die Temperatur dann in fünf aufeinanderfolgenden Stufen, Jede etwa einen Temperaturunterschied von 11° ausmachend, gesenkt, wobei auf Jeder Stufe die Temperatur für drei Stunden gehalten wird. So endet diese Operation mit einem dreistündigen Verweilen auf einer Temperatur von 680°C, An diesem Punkt können die Teile entweder an der Luft gekühlt werden oder im Ofen abkühlen. Es ist selbstverständlich, dass während der Operation diese Teile gegen Oxydation oder Entkohlung durch eine Schutzatmosphäre, etwa Stickstoff, geschützt werden müssen.

Während der Abkühlung während des Verfahrens zur Erzeugung des sphärischen GefUges ist die Umwandlung von Austenit in ein ferotisches Gefüge träge. Aus diesem Grunde wird die Behandlung zur Erzeugung eines sphärischen Gefüges bis unterhalb der Temperatur zur Transformation in Austenit ausgedehnt und während einer wesentlichen Zeit auf diesem Temperaturniveau gehalten. Die Gesamtzeit für diesen Verfahrensabschnitt kann zwischen 2k und 32 Stunden schwanken, abhängig von der genauen Charakteristik der einzelnen Legierung

US-16 / 30 April 1970 - 5 -

009852/ 1472 V BAD

■ ■..'■- 5 -

und von den Daten der Einrichtung, die je nach Lage der Dinge verschieden sein kann.

Nach diesem Verfahrensabschnitt können die geschmiedeten Teile einer rohen Maschinenbearbeitung unterzogen werden. Das Gefiige wird dann bei einer Temperatur von etwa 844°C in Austenit umgewandelt, in Öl abgeschreckt und somit in ein martensitisches Gefiige umgewandelt und sodann unverzüglich angelassen auf eine Härte von R 60 bis 64. Die Temperatur zur Durchführung der Umwandlung des Gefüges in Austenit kann zwischen 8]5O und 889°C liegen; innerhalb dieses Temperaturbereiches ist ein Gleichgewicht zwischen einem Austenit von annähernd 0,60 % C und den Karbiden vorbanden. Die Temperatur für das Anlassen zwecks Erreichung einer gewünschten BKrte kann zwischen 221 und 2O4°C liegen. Die erreichte Mikrostruktur besteht aus Primärkarbiden in einer Grundτ masse von angelassenem Martensit. Normalerweise ist ein Restanteil von 5 bis 15 % Austenit ebenfalls vorhanden. Die Priaärkarbide haben eine Grosse von 2 bis 5 Mikron im Durchmesser. -

Die gehärteten Innenringe können dann geschliffen werden und in die Kugellager eingebaut werxien. Die Aussenringe für die Kugellager können aus demselben Material, das jedoch als Ausgangsmaterial Rohre verwendet, hergestellt werden. Die Lebensdauer B-IO der auf diese Weise hergestellten Innenringe bei Kugellagern, wie sie in den Vereinigten Staaten unter der Bezeichnung P-208 handelsüblich sind, ist vm den Faktor 4,1 grosser als herkömmliche Kugellager, die Innenringe besitzen, die aus üblicherweise verwendetem Rohrmaterial hergestellt sind. In gemessenen Werten betrug der Unterschied 61,1 zu 252,9 Stunden. Die Innenringe wurden dabei einer aaximalen hertzsehen Pressung während des Versuches von 35 000 kp / cm ausgesetzt.

Die Erfindung wurde beschrieben als ein Verfahren vorzugsweise zum Herateilen von Innenringen von Kugellagern. Das ist begründet darin, dass der Innenring entscheidend für die Lebensdauer des Lagers ist. Es ist jedoch selbstverständlich, da«* auch andere Teile des Lagers gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden können. <

US-16 / JO. April 1970

009862/1472

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Innenringen von Kugellagern aus einem legierten Stahl, enthaltend 1,00 % C, 0,35 % Mn» 0,3O % Si, 1,45 % Cr, Rest Eisen, oder aus einen Stahl mit gleichen metallurgischen Eigenschaften, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) das Material wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine vollständige austenitische Struktur erreicht wird;

b) bei dieser Temperatur wird die gewünschte Form des Teils geschmiedet;

c) das Teil wird dann mit Luft abgekühlt/ und zwar ausreichend rasch, so dass die Bildung von massiven Karbiden verhindert wird. Jedoch eine sehr fein verteilte perlitische Struktur erreicht wird?

d) das Teil wird auf 64? bis 815⁰C erwärmt uiid solange auf diesem Tenperaturnive&u gehalten,, bis si» gleiefoasässig verteiltes, vorherrschend aus sphärisch geformten Partikeln aus Primärkarbid= bestehendes Gefüge in der-GrSgseiiortinung von 1 bis 5 Mikron Durchmesser entstanden ist, wobei diese Erwärmmg eine Ruheperiode bei einer Temperatur enthalt, die teapp oberhalb der Temperatur liegt, bei der Austenit gebildet wird* tffld wob©i die Zeitspanne für die Einhaltung dieser Temperatur so besessen ist, dass sieh genügend Kohlenstoff im Gamma-EIsea !©seil kamt» so dass bei Auflösung des Gamma-Eisens bei Abkühlung des» gelöste Kohleastoff wegen der vorhandenen kleinen Kohlenetoffkerne ausfällt wd Kohlenstoffpartikel in der GrSsse von 2 bis 5 'Miteoa- Berqlmtesseir bildet;

e) das Teil wird gehärtet bei einer Temperatur twd wüsreraä einer Zeit-V. spanne, die es verhindert, dass Karbide entsteinen«, jedoch ausreichend, ist, ein thermodynaiaisches Gleichgewicht zwischen testenit und ungelösten Karbiden zu schaffen;

US-16 / 30. April 1970 - 2 -

009892/1472-.:

f) daa Teil wird sodann in einem Hedlua, da* etwa die AbkUhlgesehwindigkelt von Ul belltet abgeschreckt und anechlleesend auf eine RoelwellhMrte R 6) bis 64 angelassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn et , das« die Erwartung dea Teiles gemäss Anspruch 1 d) auf etwa neun Temperaturstufen durchgeführt wird, wobei die Erwärmung in der ersten Stufe auf eine Temperatur erfolgt, die niedriger iat als die Temperatur» bei der Austenit entsteht, und die zweite Stufe der Erwärmung, und in weiteren sieben Stufen die Temperatur auf die Endtemperatur in der Weise gesenkt wird« dass ausreichend Zeit auf Jeder Stufe vorhanden ist für den Abbau des Austenits und die Bildung von Karbiden um vorhandene Kohlenstoffkerne.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennze lehnet , dass die Erwärmung während eines Zeltraumes von etwa 3 Stunden für Jede Stufe vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Härtevorgang gemäsa Verfahrensschritt e) einen Austenitlsierungsvorgang bei 830 bia 889⁰C einechliesst.

US-16 / 30. April I97O

■■*^! '.-.".■'." BAD ORIGINAL

0098S2/U72