DE2225517A1 - Hypereutektischer Lagerstahl und Verfahren zur Herstellung von Lagern aus diesem - Google Patents
Hypereutektischer Lagerstahl und Verfahren zur Herstellung von Lagern aus diesemInfo
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Description
β MOn·h·η 22, Si.inedorfrtr. 10
013-18.8Ο3Ρ 25. 5. 1972
THE TIMKEN COMPANY
Hypereutektischer Lagerstahl und Verfahren zur Herstellung von Lagern aus diesem
Für Kugellager wird fast ausschließlich ein bekannter AISI 52 100-Stahl verwendet. Ein derartiger Stahl enthält hauptsächlich
folgende Legierungszusätze, 0,98 bis 1,10$ Kohlenstoff,
0,25 bis 0,45$ Mangan und 1,JO bis 1,60^ Chrom. Der
relativ große Anteil an Chrom wird zur Verbesserung der Härtbarkeit
zugegeben. Diese Materialien vergrößern jedoch die Kosten der Erzeugnisse.
Bei der Herstellung von Lagern aus AISI 52 100-Stahl werden
rohrförmige Körper, Stangen, Schmiedestücke und Ringe (für die
Lagerschalen) und Draht oder Stangen (für die Kugeln) zuerst auf eine maximale Temperatur von 14500P angelassen, 22 Stunden
im Ofen unter einer kontrollierten Geschwindigkeit und anschließend in Luft gekühlt. Durch den Aufheizprozeß werden die
sphäroidischen Karbide zur Erzeugung eines Produktes von guter Bearbeitbarkeit und guten Kaltstauch- und/oder Kaltformungseigenschaften
in ein ferritisches Gefüge überführt. Nach
OlXSer.Nr. 146 91I)-SdOt
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der Bearbeitung, der Kaltstauchung oder Formung werden die
Kugeln und Schalen in öl bei ca. 155O0P abgeschreckt und danach
getempert, um eine Rockwellhärte C von 60 oder mehr zu erhalten. Natürlich muß der Stahl auch eine gute Dauerfestigkeit
aufweisen.
Während verschiedene Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt
von 0,6 oder 0>7^ als ein kostengünstiger Ersatz für den
AISI 52 100 (Lagerstahl) vorgeschlagen worden sind, ergeben
sich bei diesen im allgemeinen größere Schwierigkeiten beim Erreichen von sphäroidischen, vergüteten Mikrostrukturen oder
niedrigere Dauerfestigkeiten gegenüber diesen AISI 52 100-Stählen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein hochkohlenstoffhaltiger Lagerstahl hergestellt werden kann,
der wesentlich geringere Gesamt-Legierungsbestandteile als konventionelle Lagerstähle enthält, ohne daß seine Härtbarkeit,
seine Dauerfestigkeit und seine Bearbeitbarkeit gegenüber höherlegierten Lagerstählen herabgesetzt wird. Gleichzeitig
wird die zum Erreichen einer genügenden Kohlenstoffdiffusion
für eine körnige MikroStruktur benötigte GlUhzeit beim erfindungsgemäßen
Stahl erheblich verkürzt.
Es wurde ermittelt, daß der Kohlenstoffgehalt in einem hohen Kohlenstoffstahl etwas und der Chromahteil bis auf 0,20$ durch
Vergrößerung des Mangangehaltes und durch Hinzufügen genügender Mengen Molybdän reduziert werden können. Der Stahl gemäß
der Erfindung enthält als wesentliche Komponenten außer Eieen und Kohlenstoff, Mangan, Molybdän und Chrom.
Die oben angegebenen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung
lassen sich klarer der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnung entnehmen, in der die bessere Dauerfestigkeit
des erfindungsgemäßen Stahls als Diagramm dargestellt ist.
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Der Stahl gemäß der Erfindung weist die folgenden "breiteren" und "bevorzugten" Zusammensetzungen auf:
Analyse (Gew.-%) | breiter | bevorzugt | |
.80-1.10 | .90 | ||
Kohlenstoff- | .50-1.00 | .50-.80 | |
Mangan | .005-.06 | .OO8-.04 | |
Schwefel | .20-.35 | s- .20-.35 | |
Silizium | .20-.60 | .25-.4O | |
Chrom | .05-.25 | .05-.1O | |
Molybdän | .35 max | .35 max | |
Nickel | Rest | Rest | |
Eisen | |||
Nickel und Silizium sind für die Erreichung der gewünschten Legierungseigenschaften relativ unwichtig und können als Restmengen
eingeordnet werden. 0,20 bis 0,35^ Si ist der in den
meisten Stahllegierungen enthaltene Wert. Ebenfalls ist ein . bestimmter Schwefelgehalt in jedem Stahl enthalten; wobei ein
beabsichtigter Anteil von 0,008 bis 0,04$ Schwefel zur "Verbesserung
der Bearbeitbarkeit und der Dauerfestigkeit erwünscht ist. Wie oben ausgeführt, sind Kohlenstoff, Mangan, Chrom und
Molybdän wesentliche Bestandteile, wobei Chrom und Molybdän eine Vergrößerung der Härtbarkeit bewirken. In der oben angegebenen,
"bevorzugten" Zusammensetzung beträgt der Kohlenstoffanteil 0,90 Gew.-^. Es ist jedoch verständlich, daß dieser
Anteil um plus oder minus fünf Punkte in Übereinstimmung mit der metallurgischen Praxis variieren kann.
Der Stahl der obigen Zusammensetzung wird geschmolzen, zu Rohren, Schmiedestücken, Ringen, Stangen, Rundeisen, Drähten
oder anderen Stücken geformt und danach bei einer Maximaltemperatur von 14OO°F 13 Stunden geglüht, um eine sphäroidische
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MikroStruktur aus körnigen Karbiden in einem Perritgefüge zu
erhalten. In der Glühstufe durchläuft der Stahl elf Zonen eines Rollenherdofens unter einer gleichbleibenden Geschwindigkeit,
wobei die Verweilzeit in Jeder Zone 1/11 der Gesamtzeit von I3 Stünden beträgt. Die Temperaturen in den Jeweiligen
Zonen sind in der folgenden Tabelle I dargestellt.
Tabelle I
Glühtemperaturen in den elf Zonen des Rollenherdofens
Glühtemperaturen in den elf Zonen des Rollenherdofens
Zone 1 2 3 4 5 6-11
Temperatur 0F 1250 1300 1350 l400 1400 I300
Somit wird das Produkt auf 12500P, 13000P und 135O°P Jeweils
in ca. einer Stunde und 11 Minuten aufgewärmt, woran sich eine Erwärmung auf l400°F für ca. zwei Stunden und 22 Minuten und
letztlich eine Abkühlung auf 13000P für den Rest der Gesamtzeit
von 13 Stunden anschließt, der eine Kühlung in Luft folgt. Die
Glühzeit von I3 Stunden bei einer Maximaltemperatur von 14000C F
ist gegenüber der erforderlichen GlUhzeit von 22 Stunden bei einer Maximaltemperatur von 145O°F bei dem AISI 52 100-Stahl
außerordentlich vorteilhaft. Die kürzere Glühzeit verringert die Kosten des Produktes und ergibt eine geringere Verzunderung
und eine geringere-Entkohlung.
Das geglühte, veredelte Erzeugnis wird dann zu Kugeln kalt gestaucht
oder kalt geformt bzw. zu Schalen bearbeitet oder geformt, die danach auf eine Temperatur von 15500P erwärmt und
anschließend in öl abgeschreckt werden. Unter dieser Bedingung besitzt das Erzeugnis eine Rockwell Härte C von über 63 bis
Die Endstufe des Herstellungsprozesses besteht in einem Tempern des Produktes bei 3000F für ca. 1 bis 2 Stunden zur Erzielung
einer Rockwell Härte C von 60 oder mehr.
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Das erzielte Erzeugnis besitzt eine Dichte von 7, 83 g/crrr,
einen Elastizitätsmodul von 2,04 χ 10 kp/mm und einen Gleitmodul
(modulus of rigidity) von 0,84 χ 10 kp/mm . Ferner besitzt das Erzeugnis eine außerordentliche Dauerfestigkeit verglichen
mit der des höher legierten AISI 52 lOO-Lagerstahls und eine sehr viel bessere als der AISI 5160 Stahl, der manchmal
als ein kostengünstiger Ersatz für Lagerstähle verwendet wird.
Dies ist in der Zeichnung dargestellt, in welcher die Kurve die Daten des erfindungsgemäßen Stahles wiedergibt, wohingegen
die Kurve 12 aus Festigkeitsversuchen mit einem AISI 516Ο Stahl ermittelt wurde. Der erfindungsgemäße Stahl hat eine Dauerfestigkeit
L10 (d.h. eine Zerstörungs-Wahrscheinlichkeit von
10# Bruch oder 90% überdauerndes Material) nach über 10 Mill.
Spannungswechseln, wohingegen AISI 5I6O Stahl nur eine Dauerfestigkeit
L10 nach nur 6,5 Mill. Spannungswechseln besitzt.
Es ist zu bemerken, daß die Verbesserung der Dauerfestigkeit bei 50$ haltbarem Materials liegt. Somit besitzt der erfindungsgemäße
Stahl eine Dauerfestigkeit L^0 von 45 Mill. Spannungswechseln gegenüber 25 Mill. Spannungswechseln beim AISI 5160
Stahl.
Die typische, nach den Jominy-Verfahren bestimmte Härtbarkeit ist in der folgenden Tabelle II wiedergegeben:
Härtbarkeit (geglüht 165O0F, vergütet, gehärtet
15500P)
** 65 65 65 61 47 45 43 43 45 41
Die minimal« Härte an einer 1,2 cm Sektion, auf 15250F t io
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für 20 Minuten aufgeheizt und in öl abgeschreckt - 63,0 Rockwell
* - "j" Abstand vom gehärteten bzw. abgeschreckten Ende
in 1,6 mm
*·* - Rockwell Härte C am entsprechenden Punkt.
Dies sind verglichen mit den teueren, herkömmlichen Lagerstählen hervorragende Ergebnisse.
Die Wirkung der Austenitisierungstemperatur auf den Stahl gemäß der Erfindung ist in der Tabelle III wiedergegeben.
Eigenschaften Hei 13 be hand lung
Wirkung der Austenitisierungs Temperatur
Austenitisierungs-Temperatur (0F)
1450
1475 1500
1525 1550
1575 1600
Es wird festgestellt, daß,die Austenitisierungstemperatur nur
einen sehr geringen Einfluß auf die Abschreckhärte besitzt.
Die Wirkung der Temper-Temperatur auf den erfindungsgemäüen
Stahl ist in Tabelle IV wiedergegeben.
Abschreck-Härte | Härte nach 3OO |
(Rockwell C) | Tempern |
66.0 | 65.5 |
66.0 | 65.5 |
65.O | 64.0 |
66.0 | 6^.5 |
66.0 | 65.5 |
65.O | 65.O |
65.O | 63.5 |
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Wirlcung der Temper-Temperatur | Temper-Tempe - | (15500P Härtung) | 65.O |
ratur (0F) | Rockwell-Härte C nach | 64.0 | |
1 Std. Tempern | 6O.5 | ||
Abschreck-Härte - 65.O Rockwell C | 58.5 | ||
200 | 55.5 | ||
500 | 52.5 | ||
400 | 49.O | ||
500 | 45.O | ||
600 | 40.0 | ||
700 | 56.O | ||
8OO | 52.O | ||
900 | 26.0 | ||
1000 | |||
1100 | |||
1200 | |||
1300 |
Rockwell-Härte C nach .2 Std. Tempern
65.O 65.5 60.0 58.O
55.5 52.O 49.O 45.O
59.0 35.0 50.0 24.0
Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß zur Erzielung einer gewünschten
Rockwell-Härte C von 60 die Temper-Temperaturen bis zu 400°P betragen können. Die Temperzeit ist im einzelnen unwesentlich.
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Claims (5)
1. Ein legierter Stahl, bestehend im wesentlichen aus 0,80 bis l,10# Kohlenstoff, 0,50 bis 1,00$ Mangan, 0,20 bis 0,60$
Chrom, 0,05 bis 0,25$ Molybdän und der Rest im wesentlichen
Eisen.
2. Legierter Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kohlenstoffgehalt 0,90 Gew.-$6, der Mangananteil 0,50 bis 0,80 Gew.-56, der Chromgehalt 0,25 bis 0,40 Gew.-% und der
Molybdängehalt 0,05 bis 0,10 Gew.-^ beträgt.
3. Legierter Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er 0,008 bis 0,40 Gew.-% Schwefel enthält.
4. Verfahren zur Herstellung eines Iagerelementes, gekennzeichnet
durch die Verwendung eines Stahls, der im wesentlichen 0,80 bis 1,105έ Kohlenstoff, 0,50 bis 1,00$ Mangan, 0,20 bis
0,60$ Chrom und 0,05 bis 0,25$ Molybdän enthält; der geschmolzen
und in die gewünschte Form gebracht wird, durch Glühen dieses legierten Stahles bei einer Maximaltemperatur von
14ÖO°F in einer Zeit von I3 Stunden zur Erzeugung einer
sphäroidizlerte, körnige Karbide in einem Ferritgefüge enthaltenden
MikroStruktur, danach Erwärmung auf eine Temperatur von über 145O0P und Abschrecken und schließlich Tempern bei einer
Temperatur von über 400°F zur Erzielung einer Rockwell-Härte C von mindestens 60.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen des Stahles bei einer Temperatur von 1250°F beginnt,
die während der 13 Stunden Glühzeit auf 14OO°F vergrößert und
danach auf 13000F während der Glühzeit verringert wird.
209851/0756
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---|---|---|---|
BHV | Refusal |