DE2023101B2

DE2023101B2 - Verfahren zur Herstellung von Kugellagerteilen

Info

Publication number: DE2023101B2
Application number: DE2023101A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Faunce; William M. Justusson
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-05-12
Publication date: 1978-03-23
Also published as: GB1292723A; US3595707A; ZA703618B; SE375800B; JPS5031529B1; CH540982A; FR2052276A5; DE2023101A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kugellagerteilen 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 Lastaufnahrnevermögen geführt.

Das kritische Teil bei Kugellagern ist insoweit der Inneniing. 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.

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 0,20-0,35

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-10-Wert, d. h. die Zeit, die verstreichen muß, bis 10% einer unter festgelegten und überwachten Bedingungen geprüften Anzahl von Lagern versagt hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren enthält folgende Verfahrensschritte:

a) der Rohling wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine vollständige austenitische Struktur erzielt wird;

b) bei dieser Temperatur wird der Rohling zur gewünschten Form 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 647 bis 850° C erwärmt und so lange auf diesem Temperaturniveau gehalten, bis ein gleichmäßig verteiltes, vorherrschend aus kugeligem Primärkarbid bestehendes Gefüge in der Größenordnung von 2 bis 5 μητι entstanden ist, wobei diese Erwärmung eine Ruheperiode bei einer Temperatur enthält, die knapp oberhalb der Ac,-Umwandlungstemperatur liegt und wobei die Zeitspanne für die Einhaltung dieser Temperatur so bemessen ist, daß sich genügend Kohlenstoff im Austenit lösen kann, so daß bei der Wiederabkühlung die Abscheidung an den vorhandenen Karbiden angelagert wird und zu einem Wachstum dieser Karbide in der Größe

auf 2 bis 5 μιτι führt;

e) das Teil wird erneut austenitisiert, 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 und anschließend gehärtet;

f) das Teil wird sodann in einem Medium, das etwa die Abkühlgeschwindigkeit von öl besitzt, abgeschreckt und anschließend auf eine Rockwell- ι ο härte R_c 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 S AE52100. Er wird jedoch nicht in der Handelsform von Rohren verwendet, sondern in der Form von Scheiben.

Das Ziel der Wärmebehandlung zur Erreichung einer Struktur mit kugeligem Karbid iit 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 Größe des Primärkarbids liegt in einer Partikelgröße zwischen 2 und 5 μΐη. _>5

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 erfindungsgemäßen Teile bezüglich der Werkzeugstandzeiten bei der Maschinenbearbeitung keine zusätzlichen Probleme schaffen.

Ein typisches Beispiel für die Wärmebehandlung zur Erzielung eines sphärisch ausgebildeten Gefüges zur Erreichung von Karbiden in der Größenordnung π von 2 bis 5 μπι ist im folgenden beschrieben.

Die Teile werden erst auf eine Temperatur von etwa 750° C erwärmt und bei dieser Temperatur drei Stunden gehalten. Diese Temperatur liegt unterhalb des Punktes, bei dem Austenit gebildet wird, also dem 4» Ac₁ -Punkt. Die Temperatur wird dann bei einem Wert von 770⁰C gehalten, der oberhalb des Ac,-Umwandlungspunktes liegt. Nach einem Aufenthalt von drei Stunden bei dieser Temperatur werden die Lagerringe dann weitere drei Stunden bei einer Temperatur von 750° C gehalten. Von diesem Temperaturniveau wird die Temperatur dann in fünf aufeinanderfolgenden Stufen, jede etwa einen Temperaturunterschied von 11°C 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 68O⁰C. 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 Gefüges mit kugelig eingeformten Karbiden ist die Umwandlung von Austenit in ein ferritisches Gefüge träge. Aus diesem Grunde wird die Behandlung zur Erzeugung eines solchen Gefüges bis unterhalb der Umwandlungstemperatur ausgedehnt und während einer wesentlichen Zeit auf diesem Temperaturniveau gehalten. Die Gesamtzeit für diesen Verfahrensschritt kann zwischen 24 und 32 Stunden schwanken, abhängig von der genauen Charakteristik der einzelnen Legierung und von den Daten der Einrichtung, die je nach Lage der Dinge verschieden sein kann.

Nach diesem Verfahrensschritt können die geschmiedeten Teile einer rohen maschinellen Bearbeitung unterzogen werden. Das Gefüge wird dann bei einer Temperatur von etwa 844 ° C in Austenit umgewandelt, in öl abgeschreckt und somit in ein tnartensitisches Gefüge umgewandelt und sodann unverzüglich angelassen auf eine Härte von R_c 60 bis 64. Die Temperatur zur Durchführung der Umwandlung des Gefüges in Austenit kann zwischen 830 und 889 ⁰C liegen; innerhalb dieses Temperaturbereiches ist ein Gleichgewicht zwischen einem Austenit von annähernd 0,60% C und den Karbiden vorhanden. Die Temperatur für das Anlassen zwecks Erreichung einer gewünschten Härte kann zwischen 221 und 204° C liegen. Die erreichte MikroStruktur besteht aus Primärkarbiden in einer Grundmasse von angelassenem Martensit. Normalerweise ist ein Restanteil von 5 bis 15% Austenit ebenfalls vorhanden. Die Primärkarbide haben eine Größe von 2 bis 5 μιτι im Durchmesser.

Die gehärteten Innenringe können dann geschliffen werden und in die Kugellager eingebaut werden. Die A.ußenringe für die Kugellager können aus demselben Material, das jedoch als Ausgangsmaterial Rohre verwendet, hergestellt werden. Die Lebensdauer B-10 der auf diese Weise hergestellten Innenringe bei Kugellagern, wie sie in den Vereinigten Staaten unter der Bezeichnung F-208 handelsüblich sind, ist um den Faktor 4,1 größer 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 maximalen hertzschen Pressung während des Versuches von 35000 kp/cm² ausgesetzt.

Die Erfindung wurde beschrieben als ein Verfahren vorzugsweise zum Herstellen von Innenringen von Kugellagern. Das ist begründet darin, daß der Innenring entscheidend für die Lebensdauer des Lagers ist. Es ist jedoch selbstverständlich, daß auch andere Teile des Lagers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kugellagerteilen 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, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) der Rohling wird vollständig austenitisiert; iu

b) bei dieser Temperatur wird der Rohling zur gewünschten Form geschmiedet;

c) das Teil wird dann so rasch mit Luft abgekühlt, daß unter Verhinderung der Bildung von massiven Karbiden eine sehr feine perlitische Struktur erzielt wird;

el) das Teil wird auf 647⁰C bis 815 ⁰C erwärmt und so lange auf diesem Temperaturniveau gehalten, bis ein gleichmäßig verteiltes, vorherrschend aus kugeligem Primärkarbid in 2u der Größenordnung von 1 bis 5 μΐη Durchmesser bestehendes Gefüge entstanden ist, wobei diese Erwärmung eine Ruheperiode bei einer Temperatur enthält, die knapp oberhalb der Ac,-Umwandlungstemperatur liegt und wobei die Zeitspanne für die Einhaltung dieser Temperatur so bemessen ist, daß sich genügend Kohlenstoff im Austenit lösen kann, um bei Wiederabkühlung eine Abscheidung von Kohlenstoff an den Karbi- jo den zu einem Wachstum dieser Karbide auf eine Größe von 2 bis 5 μΐη Durchmesser zu führen;

e) das Teil wird erneut austenitisiert 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 und anschließend gehärtet;

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

2. Verfahren nach Hauptanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt d) in der Weise durchgeführt wird, daß das Teil zunächst auf eine Temperatur dicht unterhalb des Ac,-Umwandlungspunktes erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten wird, dann auf 647 bis S15 ⁰C weiter erwärmt und dort gehalten wird, und daß daran anschließend in bis zu neun Stufen abgekühlt wird, wobei das Teil bei jeder Stufe eine Zeitlang gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung während eines Zeitraumes von etwa 3 Stunden für jede Stufe vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austenitisierung bei Verfahrensschritt e) bei 830 bis 889°C liegt.