NL1012329C2 - Slijt- en breukvast staal. - Google Patents

Description

Slijt- en breukvast staal.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een deel van een transmissiedeel, omvattende het voorzien in een 5 staal omvattende C, Si, Cr, Mn, Mo en overigens Fe en gebruikelijke verontreinigingen, carburiseren/carbonitreren, afschrikken gevolgd door verder verwarmen (opnieuw harden), opnieuw afschrikken en warmtebehandelen.

Een staalsoort omvattende de bovengenoemde elementen is bekend uit het Amerikaans octrooischrift 5019182. Voorgesteld wordt een dergelijk staalsoort te 10 gebruiken bij het vervaardigen van tandwielen in versnellingsbakken van automobielen. Daarbij wordt na warmtebehandeling het staal onderworpen aan “shotpeening” dat wil zeggen wordt de oppervlaktestructuur door een bombardement van vreemde deeltjes verdicht. Verdere mechanische behandeling is daarna niet meer mogelijk omdat daardoor het effect van het oppervlakte bombardement teniet gedaan 15 zou worden.

In het bijzonder omvat dit staalsoort 0,1-0,4 gew.% C, 0,06-0,15 gew. Si, 0,3-1,0 gew.% Mn, 0,9-1,2 gew.% Cr, 0,6-0,5 gew.% Mo en overigens Fe.

Het is het doel van de onderhavige aanvrage in een onderdeel van een toroïdale IVT transmissie te voorzien. De twee belangrijkste onderdelen zijn de disk en roller. 20 Een voorbeeld daarvan wordt gegeven in het Britse octrooischrift 2286023. Daarbij zijn ten minste twee tegenover elkaar liggende schijven, waartussen ten minste twee aandrij ff oliën aanwezig zijn. Door het kantelen van de hoek van de aandrij ff oliën kan de overbrengingsverhouding gewijzigd worden. De eisen gesteld aan een IVT wijken af van die van wentellagers doordat wrijving noodzakelijk is om moment van de motor 25 naar de wielen over te brengen. Bij een contact met smering, zoals in een IVT, kan wrijving slechts opgewekt worden indien slip aanwezig is.

In de stand der techniek zijn laag gelegeerde staalsoorten bekend voor het vervaardigen van delen van wentellagers, die eveneens een laag koolstofpercentage hebben. 0,2 gew.% C kan als voorbeeld genoemd worden. De kem van delen voor kogella-30 gers vervaardigd uit een dergelijk materiaal is verhoudingsgewijs taai vanwege het lage koolstofaandeel. Om het oppervlak voldoende slijtvast te maken, worden koolstof en/of stikstof door carburiseren/carbonitreren ingebracht. Opnieuw harden wordt na een behandeling van dit soort uitgevoerd.

1012329^ 2

Hoewel delen voor wentellagers verhoudingsgewijs weinig kostbaar vervaardigd kunnen worden op deze wijze, vormt de geringe slijtweerstand een beperking voor het gebruik daarvan. Dit speelt bijvoorbeeld een rol bij papierproductie-installaties en andere constructies waarbij met olie- of vetgevulde huizen en dergelijke gebruikt worden 5 en slijtagedeeltjes in de olie of het vet komen, welke deeltjes niet weggefilterd worden, terwijl de olie niet gewisseld wordt of niet voldoende vaak gewisseld wordt. In dergelijke gevallen zullen slijtdeeltjes van dit soort onvermijdelijk tussen de verschillende bewegende delen van een wentellager komen en het oppervlak daarvan aantasten. Enerzijds geeft dit een toename in het geluid voortgebracht door het lager en anderzijds 10 zal dit op de langere duur tot falen leiden.

Een andere mogelijkheid beschreven in de stand der techniek om dit probleem op goedkope wijze weg te nemen, is het gebruik van een staalsoort dat meer koolstof bevat. Daardoor zal de hardheid toenemen. Een voorbeeld daarvan is een kogellagerstaal, dat ongeveer 0,6 gew.% koolstof bevat. Hoewel de kem van wentellagerdelen met dit 15 staalsoort sterker is, is deze gevoeliger voor scheuren. Dit geldt in het bijzonder voor lagerringen aangebracht op een as met hoge passing, waar de treklusspanning falen door doorgaand scheuren tot gevolg kan hebben.

Een kogellagerstaal omvattende 0,2 - 0,6 gew.% C, 0,3 - 2,0 gew.% Si, 0,5 - 2,5 gew.% Cr, 0,3 -1,7 gew.% Mn en andere gebruikelijke elementen wordt beschreven in 20 US-A-5.085.733. Gesteld wordt dat een warmtebehandeling direct na carbonitreren uitgevoerd kan worden. Het aangegeven bereik bestanddelen is bijzonder ruim zodat het niet mogelijk is duidelijk aan te geven welke van de bestanddelen genoemd in dit octrooischrift tot een bepaald soort staal leiden, dat enerzijds voldoende slijtvast is en anderzijds geen scheuren of barsten vertoont en tenslotte verhoudingsgewijs goedkoop 25 vervaardigd kan worden. Vanwege de gebruikte hoeveelheid silicium zal een dergelijke staalsoort aanzienlijk duurder zijn dan de staalsoorten die hierboven beschreven zijn, die in de stand der techniek algemeen bekend zijn.

In een IVT is de contactspanning tussen de schijf en aandrijffoliën veel hoger dan typisch in wentellagers aangetroffen. Vermoeiingsscheuren en vermoeiingsbreuk door 30 de herhalende buigspanningen zijn waargenomen en eisen moeten gesteld worden aan de gecombineerde wentelcontactvermoeiingssterkte van de aandrijfoppervlakken en aan verbeterde vermoeiingsbreuksterkte.

1012329 3

Een slijt- en breukvast kogellagerstaal zoals hierboven beschreven is bekend uit GB-A-2.272.909. De stikstof/koolstofverhouding (N/C) in deze beschrijving is 0,8 - 2,0 d.w.z.de C/N-verhouding is 0,5 - 1,25. Dit betekent dat een verhoudingsgewijs laag koolstofaandeel gecombineerd wordt met een verhoudingsgewijs hoog stikstofaandeel.

5 Daarom zullen nitriden, restausteniet en carbonitriden ontstaan. Vanwege het lage koolstofpercentage is het moeilijk om de hardheid van het oppervlak van een kogellager volgens het Britse octrooischrift te beheersen.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een staalsoort voor een component van een Γ/T te voorzien.

10 Dit doel wordt bij een hierboven beschreven werkwijze verwezenlijkt doordat het staal omvat 0,37-0,46 gew.% C, 0,1-0,35 gew.% Si, 0,7-1,3 gew.% Cr, 0,60-1,2 gew.% Mn, 0,15-0,30 gew.% Mo en overigens Fe en gebruikelijk verontreiniging en waarbij aan het oppervlak van dat deel 0,95 - 1,25 gew.% koolstof aanwezig is. Indien carbonitreren gebruikt wordt, zal het stikstofaandeel 0,05 - 0,25 gew.% zijn.

15 Het hierboven beschreven staalsoort is algemeen verkrijgbaar als constructiestaal.

Het is bijvoorbeeld bekend onder de SAE-aanduidingen 4140 en 4140H. Dergelijke staalsoorten worden voor een brede veelheid van constructieonderdelen in het algemeen gebruikt. Verrassenderwijs is gebleken dat indien deze staalsoorten gebruikt worden voor delen van wentelconstructies enerzijds de slijtweerstand voldoende is en an-20 derzijds geen gevaar van barsten of breuk bestaat bij de lusspaxmingsniveaus die bij de aanvrage typisch aangetroffen worden.

Een aanzienlijk verbeterde constructieve sterkte is waargenomen. In deae samenhang is het belangrijk dat de hieronder beschreven structuur voortgebracht wordt. Het oppervlak van soorten kogellagerstaal op deze wijze verkregen zal een Rockwell hard-25 heid HRc van ten minste 58 hebben en de hardheid van de kem ligt tussen HRc 45 en 60, terwijl geen of een verwaarloosbare hoeveelheid van rest austeniet in de kem aanwezig is. Met de werkwijze volgens de uitvinding zal het oppervlak een aanzienlijke hoeveelheid fijne carbiden omvatten. Met carbonitreren is voldoende stikstof aanwezig om temperingsweerstand voor gebruik bij verhoogde temperatuur te verkrijgen. De 30 eerste afschrikstap kan afschrikken in olie bij 50-80^0 of afschrikken in zout bij 300-400'C omvatten, de tweede afschrikstap zal in olie bij 50-80’C zijn.

In vergelijking met de stand der techniek zijn de hardheid van zowel het oppervlak als van de kem hoger dan het geval is bij algemeen bekende kogellagerstaaisoor- 101 23 2 9^· 4 ten met een laag koolstofaandeel. De slijtweerstand wordt dientengevolge verbeterd. Dat wil zeggen indien het gebruikte smeermiddel bijvoorbeeld door metallische deeltjes of andere deelljes afkomstig uit de omgeving verontreinigd is, zal dit op korte termijn niet tot het falen van het lager leiden. Bovendien wordt als resultaat van deze 5 maatregelen het belastingsvermogen van het lager vergroot, waardoor het lager een kleinere constructie kan hebben. De vermoeiingsweerstand door rollend contact neemt eveneens toe, zodat de levensduur van het lager vergroot kan worden.

Anderzijds wordt het nadeel dat doorgaand scheuren plaatsvindt, zoals hierboven beschreven aangetroffen in de stand der techniek, thans niet aangetroffen. Aangenomen 10 wordt dat de reden daarvoor ligt in de restspanning bij het oppervlak in de zin van compressie gecombineerd met taaiheid van de kern. Uiteindelijk is bij ongeveer 0,4 gew.% het voorgestelde koolstofpercentage duidelijk lager dan in het geval van de staalsoorten die hierboven beschreven zijn, die een hoog koolstofpercentage hebben (0,6 gew.%). Anderzijds zal begrepen worden dat de kosten van een dergelijk lager 15 verhoudingsgewijs laag zijn gezien de prijs van het staal gebruikt voor de productie en de uitgevoerde behandeling.

In tegenstelling tot de Britse octrooispecificatie 2.272.909 is het koolstofaandeel in de onderhavige aanvrage verhoudingsgewijs hoog terwijl het stikstofaandeel verhoudingsgewijs laag is. Daardoor ontstaat een verdeling van fijne carbiden, een martensiet 20 in hoofdzaak versterkt met koolstof maar met extra stikstof voor temperweerstand en een gestuurde hoeveelheid rest austeniet.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een kogellagerstaal bevattende 0,37 -0,46 gew.% C, 0,1 - 0,35 gew.% Si, 0,7 - 1,3 gew.% Cr, 0,60 - 1,2 gew.% Mn, 0,15 -0,30 gew.% Mo en eveneens Fe en gebruikelijke verontreinigingen, waarbij de micro-25 structuur van het oppervlak martensiet omvat met een dispersie van harde carbiden met een diameter tussen 0,2 en 2,0 pm en een aandeel restausteniet dat omgekeerd samenhangt met de warmtebehandelingstemperatuur.

De kosten van het thans voorgestelde staalsoort en de werkwijze voor de vervaardiging daarvan zijn aanzienlijk lager dan de kosten van kogellagerstaalsoorten, die 30 eveneens gecarburiseerd worden maar met nikkel gelegeerd worden.

Vanwege het hogere uitgangspercentage koolstof, zullen de carbonitride- en car-buriseertijden aanzienlijk korter (ongeveer 50%) zijn dan in het geval van staalsoorten die een lager koolstofpercentage (0,2 gew.%) bevatten. Deze vergelijking wordt uitge- 1012329* 5 voerd voor dezelfde diffusiediepte, die in praktijk ongeveer 3,0 mm is. De combinatie van de samenstelling van het thans voorgestelde wentellagerstaal en de bijbehorende werkwijze voor het vervaardigen daarvan, blijkt een voordeel te vormen met betrekking tot zowel de mechanische eigenschappen als de kostprijs.

5 Het hierboven beschreven kogellagerstaal heeft talrijke toepassingen. Het staal kan bijvoorbeeld gebruikt worden in de droogsectie van papier producerende installaties, waar lagers onderwoipen worden aan aanzienlijke belastingen en verontreiniging van het smeermiddel plaatsvindt, terwijl indien soorten kogellagerstaal gebruikt worden die een hoog koolstofpercentage bevatten, scheuren en breuk waargenomen kunnen 10 worden.

Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding wordt verder verwarmen bij ten minste 800°C gedurende ten minste 0,4 uur uitgevoerd. In de praktijk kan die verdere verwarmingsstap 1,5 uur nemen. De feitelijke tijd is afhankelijk van de gebruikstemperatuur en de gewenste eindstructuur. Bij een lage temperatuur (830°C) 15 zal deze tijd langer zijn dan bij een enigszins hogere temperatuur zoals 850°C. De verschillende aspecten moeten passen bij de warmtebehandeling die na het afschrikken volgt. De warmtebehandeling vindt tussen 160°C en 260eC plaats en neemt 1,5-6 uur. De temperatuur voor het verder verwarmen en opnieuw harden kan tot 870°C stijgen. Vanzelfsprekend moeten de verschillende handelingen zodanig uitgevoerd worden dat 20 de carbideafmetingen kleiner dan 2,0 μπι zijn, maar in de praktijk is gebleken dat de hierboven genoemde waarde van 0,2 μτη gemakkelijk bereikbaar is. Als consequentie van deze zeer fijne carbiden, heeft het oppervlak een voldoende hoge hardheid en ver-moeiingssterkte, terwijl voldoende hardheid gewaarborgd wordt. De feitelijke warmte-behandelingstemperatuur en warmtebehandelingstijd die gebruikt worden, zal samen-25 hangen met de toepassingstemperatuur en de eis aan dimensionele stabiliteit bij de toepassing.

Bij voorkeur wordt carburiseren/carbonitreren bij ongeveer 950°C uitgevoerd. Dit is hoger dan in de stand der techniek zoals bijvoorbeeld het Britse octrooischrift 2.272.909 gesuggereert. Vanwege de hogere temperatuur neemt de diffusiesnelheid toe 30 waardoor de tijd voor dit proces afneemt.

Als voorbeeld is de samenstelling van een aantal soorten staal waarmee de uitvinding toegepast kan worden in de onderstaande tabel weergegeven. Begrepen zal

It01 23 il 3 ' 6 worden dat verdere staalsoorten denkbaar zijn die binnen het bereik van de bijgaande conclusies liggen en even goede eigenschappen voortbrengen.

tfT·£ ' i' ij Ü L·, k_:·· ·: - ·· 0 7

Tabel

Staal Koolstof Silicium Chroom Mangaan Molybdeen Nikkel Vanadium SAE 1040 0,37-0,44 0,15-0,35 ~ 0,6-0,9 ~ ~ ~ SAE 1542 0,36-0,44 0,15-0,35 ~ 1,35-1,65 ~ ~ SAE 4140 0,38-0,43 0,15-0,35 0,80-1,1 0,75-1,0 0,15-0,25 Ί) ~ SAE 4140H 0,37-0,44 0,10-0,35 0,75-1,2 0,65-1,1 "0,15-0,25 0,15-0,25 ~ SAE 5140 0,38-0,43 0,15-0,35 0,7-0,9 0,7-0,9 ~ “ — SAE 4130 0,28-0,33 0,15-0,35 0,8-1,1 0)4-0,6 0,15-0,25 ~ ~ SAE 6145 0,43-0,48 0,20-0,35 0,8-1,1 0,7-0,9 ~ ~ TÖ)Ï5 SAE 8640 0,38-0,43 0,10-0,35 0,4-0,6 ~ 0,75-1,0 0,15-0,25 0,40-0,7 ~ SAE 4340 0,38-0,43 0,10-0,35 0,7-0,9 0,6-0,8 0,20-0,30 1,65-2,0 ~ 43CrMo4 0,40-0,46 "<ö)4 0,9-1,2 0,6-0,9 0,15-0,30 ~ “

In de bijgesloten fig. 1 is het bereik voor zowel stikstofaandeel als koolstofaan-deel als functie van het oppervlak van het betreffende deel gegeven.

5 Een ander gebied waar het staal volgens de uitvinding gebruikt kan worden, zijn IVT-staalsoorten. Hieronder is een voorbeeld van een dergelijk IVT beschreven verwijzend naar fig. 2 waarin schematisch een IVT getoond is.

Een dergelijke IVT is in het geheel met 1 aangegeven. Deze omvat een uit-gangsschijf 3, die door de aandrijffollen 4 aangedreven wordt. De inlaatschijf 2 wordt 10 door de motor aangedreven. Tussen de inlaat- en uitlaatschijven, zijn drie vermogens-rollen 4 aangebracht. Door het kantelen in de richting van de pijl 5, kan de overbren-gingsverhouding tussen de ingangsschijf 2 en de uitgangsschijf 3 gewijzigd worden. De vermogensrollen zijn aan aanzienlijke belastingen nabij het aangrijpoppervlak daarvan met de loopbanen 7 onderhevig. De ingangs- en uitgangsschijven worden belast ten-15 einde een wrijvingskracht tussen de vermogensrollen en de schijven te ontwikkelen. Door het opbrengen van een belasting zal slip zodanig ingesteld worden dat de vereiste kracht (moment) afgegeven wordt. Gebied 8 wordt als het kritische gebied met betrekking tot constructieve vermoeiingsbelastingen gezien.

1012329 -

Claims (10)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een een deel van een transmissiedeel, omvattende het voorzien in een staal omvattende C, Si, Cr, Mn, Mo en overigens Fe 5 en gebruikelijke verontreinigingen, carburiseren/carbonitreren, afschrikken gevolgd door verder verwarmen (opnieuw harden), opnieuw afschrikken en warmtebehandelen, met het kenmerk, dat dat deel een onderdeel van een toroïdale IVT omvat en dat dat staal omvat 0,37-0,46 gew.% C, 0,1-0,35 gew.% Si, 0,7-1,3 gew.% Cr, 0,60-1,2 gew.% Mn, 0,15-0,30 gew.% Mo en overigens Fe 10 en gebruikelijke verontreinigingen, waarbij het carburiseren/carbonitreren zodanig verwezenlijkt wordt bij het oppervlak van dat deel dat 0,95 - 1,25 gew.% koolstof aanwezig is.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het carbonitreren zodanig uitgevoerd wordt dat aan het oppervlak van dat deel bij ten minste 1 mm 0,05 - 0,25 gew.% N 15 aanwezig is.

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat verder verwarmen gedurende ten minste 0,5 uur bij ten minste 800°C uitgevoerd wordt.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de warmtebehandeling tussen 160°C - 260°C gedurende 1,5-6 uur uitgevoerd wordt.

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het carburise ren/carbonitreren bij ongeveer 950°C gedurende ten hoogste 24 uur uitgevoerd wordt.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die wentelcon-structie een wentellager omvat en waarbij ten minste 0,1 - 0,29 gew.% Si aanwezig 25 is.

7. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-6, waarbij die wentelconstructie een CVT/IVT-onderdeel omvat.

8. Staal voor een deel van een IVT constructie omvattende 0,37 - 0,46 gew.% C, 0,1 -0,29 gew.% Si, 0,7 - 1,3 gew.% Cr, 0,60 - 1,2 gew.% Mn, 0,15 - 0,30 gew.% Mo en 30 eveneens Fe en gebruikelijke verontreinigingen, waarbij de microstructuur van het oppervlak martensiet omvat met een dispersie van harde carbiden met een diameter tussen 0,2 en 2,0 pm, waarbij dat oppervlak gepolijst is.

9. Staal volgens conclusie 8, waarbij die wentelconstructie een wentellager omvat, λ n i o o. o o ^ * omvattende 0,10 - 0,29 gew.% Si.

10. Staal voor een wentelconstructie volgens conclusie 9, waarbij die wentelcon-structie een IVT-schijfonderdeel omvat, omvattende 0,10 - 0,35 gew.% Si. 0:3 '