EP0480924A1 - Verfahren zum einsatzhärten von wälzlagerelementen aus niedriglegiertem, nickelhaltigem stahl - Google Patents

Verfahren zum einsatzhärten von wälzlagerelementen aus niedriglegiertem, nickelhaltigem stahl

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EP0480924A1
EP0480924A1 EP19890908413 EP89908413A EP0480924A1 EP 0480924 A1 EP0480924 A1 EP 0480924A1 EP 19890908413 EP19890908413 EP 19890908413 EP 89908413 A EP89908413 A EP 89908413A EP 0480924 A1 EP0480924 A1 EP 0480924A1
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EP
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carburizing
temperature
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bearing elements
hardening
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EP19890908413
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Frank Hengerer
Gerhard Mend
Roger Björn
Ulf Sjöblom
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Linde Sverige AB
Original Assignee
AGA AB
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    • C21D1/78—Combined heat-treatments not provided for above
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for case hardening rolling element elements made of low-alloy, nickel-containing steel according to the preamble of claim 1.
  • Highly stressed roller elements e.g. B. large Wälzl ⁇ gerrings for rolling mills are often made of a low-alloy, nickel-containing steel, which is surface hardened in the application process.
  • an intermediate annealing is sometimes necessary after the carburizing and before the carburizing layer of the roller bearing elements has been austenitized in order to homogenize the steel structure and to reduce internal stresses.
  • the present invention is based on the task of creating a method for case hardening of rolling element elements, in particular large rolling element rings, from nickel-containing, low-alloy steels of the type specified, in which embrittlement of the hardness structure of the rolling element elements is largely caused by the dissociated hydrogen of the carburizing gas is avoided.
  • the process should also be economically applicable.
  • the roller bearing elements after carburizing in an inert gas for. B. nitrogen, cool.
  • the inert gas acts as a protective gas, so that the rolling bearing elements do not undergo any oxidation and decarburization on their surfaces. Due to the movement of the inert gas, the roller elements cool down quickly enough so that the precipitation of grain boundary carbides is just prevented.
  • the cooling also takes place in a certain cooling time, so that part of the hydrogen of the carburizing agent taken up in the carburizing layer during carburizing can diffuse out of the carburizing layer.
  • the measure according to claim 4 has the effect that the steel structure of the roller bearing elements is made stress-free and homogenized. This is particularly important in the case of large rolling bearing rings, because after cooling from the carburizing heat they can have considerable residual stresses.
  • a further heating energy saving is achieved with the additional measure according to claim 5.
  • the measure according to claim 7 results in an economically justifiable heat treatment time.
  • the measure according to claim 8 provides the advantage that all treatment stages from carburizing to intermediate annealing take place in one and the same furnace and under nitrogen as a protective gas.
  • the measure according to claim 9 indicates the possibility of also performing the hardening in the furnace used for carburizing, so that results in an extremely economical heat treatment of the rolling bearing elements in an automated series or mass production.
  • roller bearing rings made from this steel are carburized at around 970 ° C. For this purpose, these are placed individually or in groups in a carburizing furnace which works with propane gas (C_H.) As carburizing agent and heated to 970 ° C. The roller rings are then 10 to 20 hours to produce a sufficiently thick carburizing layer Held at 970 ° C. in the reeling furnace, the propane gas penetrating into the surface of the roller rings and producing carbon and hydrogen as decomposition products in a manner known per se.
  • propane gas C_H.
  • the roller bearing rings are carburized at around 970 ° C.
  • C_H. propane gas
  • the roller rings are then 10 to 20 hours to produce a sufficiently thick carburizing layer Held at 970 ° C. in the reeling furnace, the propane gas penetrating into the surface of the roller rings and producing carbon and hydrogen as decomposition products in a manner known per se.
  • the rolling bearings are in the carburizing furnace from the carburizing heat are cooled to about 300 ° C. in agitated nitrogen, so that the precipitation of grain boundary carbides in the structure of the steel is avoided and, moreover, sufficient cooling time remains so that part of the dissociated hydrogen diffuses out of the carburizing layer,
  • the rolling bearing rings are then kept in the carburizing furnace at about 300 ° C. with a holding time of at least 1 hour in a nitrogen atmosphere, so that a further part of the dissociated hydrogen escapes from the carburizing layer and
  • roller bearing elements are heated to a hardness temperature of about 805 ° C in the carburizing furnace immediately after being held at 300 ° C, austenitized at this hardness temperature and then quenched in air, oil or salt to achieve a surface hardness of 60 to 64 HRC (Fig. 1) .
  • the roller bearing rings can also be slowly cooled in nitrogen or air after the intermediate annealing from 610 ° C. to room temperature (20 °) (FIG. 3). Further dissociated hydrogen is released from the carburizing layer. The time to cool to room temperature (20 ° C) is about 1 hour. After the intermediate processing, the roller bearing rings are brought from room temperature to hardening temperature, hardened and quenched in air, oil or salt.
  • tempering is usually also provided so that the roller bearing elements are given a martensitic structure which gives the surface (roller bearing surface) a hardness of 58 to 62 HRC.
  • roller elements are finally ground and, if necessary, honed or polished on their tread.

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Description

Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen aus niedriglegiertem, nickelhaltigem Stahl
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen aus niedriglegiertem, nickelhaltigem Stahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 .
Hochbeαnspruchte Wälzlαgerelemente, z. B. große Wälzlαgerringe für Walz¬ werke, werden vielfach aus einem niedriglegierten, nickelhaltigen Stahl gefertigt , der im Einsatzverfahren oberflächengehärtet wird . Dabei ist manchmal nach dem Aufkohlen und vor dem Austenitisieren der Aufkoh¬ lungsschicht der Wälzlagerelemente ein Zwischenglühen zum Homogenisieren des Stahlgefüges und zum Abbau von inneren Spannungen notwendig .
Bei einem bekannten Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen der genannten Gattung werden die Wälzlagerelemente nach dem Aufkohlen in Propangas langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß der beim Auf ¬ kohlen durch Dissoziat ion des Propangases in der Aufkohlungsschicht auf ¬ genommene Wasserstoff zum Teil aus der Aufkohlungsschicht nach außen herausdiffundieren kann (US-PS 3 737 204) . Diese Abkühlung darf jedoch nicht zu langsam erfolgen, weil sonst eine Ausscheidung von Korngrenzen¬ karbiden im Gefüge der Aufkohlungsschicht erfolgt . Eine solche Ausschei¬ dung würde das Härtegefüge verändern und die Wälzermüdungslebensdαuer der Wälzlαgerelemente, z. B. Wälzlαgerringe, beträchtlich verringern. Beim bekannten Verfahren verbleibt noch ein Teil von atomarem und mole¬ kularem Wasserstoff in der Aufkohlungsschicht . Dieser Wasserstoff bewirkt bei nickelhalt igen Stählen eine Versprödung des Härtegefüges der Wälzlα¬ gerelemente, die zu einer gefährlichen Rißbildung führen kann.
Der vorliegenden Erf indung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen, insbesondere großen Wälzlαgerringen, aus nickelhalt igen, niedriglegierten Stählen der angege¬ benen Art zu schaffen, bei dem eine Versprödung des Härtegefüges der Wälzlαgerelemente durch den dissoziierten Wasserstoff des Aufkohlungsgases weitgehend vermieden ist . Das Verfahren soll überdies wirtschaftlich an¬ wendbar sein.
Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst .
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß die Wälzlagerele¬ mente nach dem Aufkohlen in einem Inertgas, z. B. Stickstoff, abkühlen . Das Inertgas wirkt dabei als Schutzgas, so daß die Wälzlagerelemente an ihren Obeflächen keine Oxidαtion und keine Abkohlung erleiden. Durch die Bewegung des Inertgαses erfolgt die Abkühlung der Wälzlαgerelemente schnell genug, so daß die Ausscheidung von Korngrenzenkarbiden gerade noch verhindert wird . Die Abkühlung erfolgt auch in einer gewissen Ab¬ kühlzeit, so daß ein Teil des beim Aufkohlen in der Aufkohlungsschicht aufgenommenen Wasserstoffs des Aufkohlungsmittels aus der Aufkohlungs¬ schicht herausdiffundieren kann.
Auf diese Weise braucht anschließend nur noch relativ kurze Zeit bei etwa 300βC gehalten zu werden, um den in der Aufkohlungsschicht noch verblie¬ benen Rest des Wasserstoffs herausdiffundieren zu lassen.
Zum Entfernen des Wasserstoffs aus der Aufkohlungsschicht wird dement ¬ sprechend eine außergewöhnlich kurze Wärmebehandlungszeit benötigt, so daß das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Zeit- und Energieaufwand besonders wirtschaftlich anwendbar ist .
Weitere vorteilhafte Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet . Mit der Maßnahme nach Anspruch 2 wird erreicht, daß beim Halten der Wälzlagerelemente auf 300° C der nach dem Abkühlen aus der Aufkohlungs- hitze verbliebene Rest des dissoziierten Wasserstoffs so weit aus der Auf ¬ kohlungsschicht der Wälzlagerelemente herausdiffundiert, daß die Gefahr der Rißbildung an den Wälzlagerelementen abgewendet ist .
Mit der Maßnahme nach Anspruch 3 ergibt sich ein kleiner Bedarf an Heiz¬ energie für die Durchführung des erf indungsgemäßen Verfahrens, denn beim Erwärmen der Lαgerelemente auf Härtetemperatur braucht nur von 300° C auf Härtetemperatur erwärmt zu werden.
Die Maßnahme nach Anspruch 4 bewirkt, daß das Stahlgefüge der Wälzla¬ gerelemente spannungsfrei gemacht und homogenisiert wird . Dies ist vor allen Dingen bei großen Wälzlagerringen wichtig, weil diese nach dem Ab¬ kühlen aus der Aufkohlungshitze beträchtliche Eigenspαnnungen aufweisen können .
Da bei dieser Wärmebehandlung nicht auf Raumtemperatur (20°C ) abgekühlt wird, ergibt sich auch ein verhältnismäßig kleiner Heizenergiebedαrf .
Eine weitere Heizenergie-Erspαrnis wird mit der zusätzlichen Maßnahme nach Anspruch 5 erzielt .
Mit der Maßnahme nach Anspruch 6 wird erreicht, daß nach dem Aufkohlen und vor dem Härten (Austenit isieren der Aufkohlungsschicht ) noch eine zerspanende Bearbeitung der relativ weichen Wälzlagerelemente vorgenommen werden kann.
Mit der Maßnahme nach Anspruch 7 ergibt sich eine wirtschaftlich vertret ¬ bare Wärmebehandlungszeit .
Die Maßnahme nach Anspruch 8 liefert den Vorteil, daß sämtliche Behαnd - lungsstufen vom Aufkohlen bis zum Zwischenglühen in ein und demselben Ofen und unter Stickstoff als Schutzgas erfolgen.
Die Maßnahme nach Anspruch 9 deutet auf die Möglichkeit hin, das Härten ebenfalls in dem zum Aufkohlen verwendeten Ofen vorzunehmen, so daß sich eine äußerst wirtschaftliche Wärmebehandlung der Wälzlagerelemente in einer automat isierten Serien- oder Massenfertigung ergibt .
Schließlich wird mit der Maßnahme nach Anspruch 10 ein auf dem Markt erhältlicher Stahl, z. B. 17 NiCrMo 14, verwendet . Dieser Stahl eignet sich besonders für die Herstellung von großen Wälzlagerringen .
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen aus niedriglegiertem, nickelhalt igem Stahl anhand der Zeichnungen, siehe Darstellung erfindungsgemäßer Verfαhrensαbläufe in Figur 1 , 2 und 3, näher erläutert .
Für die Herstellung der Wälzlαgerelemente, z. B. große Wälzlαgerringe, wird zweckmäßigerweise ein Stahl der Sorte 17 NiCrMo 14 verwendet, der jedoch die für Wälzlagerstähle üblichen reduzierten Werte von S<. 0, 035 % und P < 0, 035 % aufweist . Die übrigen Analysewerte (%) dieses Stahls betragen :
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
Die aus diesem Stahl gefertigten Wäizlagerringe werden bei etwa 970° C aufgekohlt . Hierzu werden diese einzeln oder in Gr uppen in einen Aufkoh- lungsofen, der mit Propangas (C_H . ) als Aufkohlungsmittel arbeitet, ge¬ bracht und auf 970" C erwärmt . Zur Herstellung einer genügend dicken Aufkohlungsschicht werden die Wälzlαgerringe dann 10 bis 20 Stunden bei 970° C im Auf ohlungsofen gehalten. Dabei dringt das Propangas in die Oberf läche der Wälzlαgerringe ein und erzeugt in an sich bekannter Weise als Zersetzungsprodukte Kohlenstoff und Wasserstoff .
Bei der weiteren Wärmebehandlung wird so vorgegangen,
daß die Wälzlager ringe im Aufkohlungsofen von der Aufkohiungshitze bis etwa 300" C in bewegtem Stickstoff abgekühlt werden, so daß die Ausscheidung von Korngrenzenkarbiden im Gefüge des Stahls ver¬ mieden wird und außerdem genügend Abkühlungszeit verbleibt, so daß ein Teil des dissoziierten Wasserstoffs aus der Aufkohlungs¬ schicht herausdiffundiert,
daß die Wälzlagerringe anschließend im Aufkohlungsofen bei etwa 300° C mit einer Haltezeit von mindestens 1 Stunde in Stickstoffatmo- sphäre gehalten werden, so daß ein weiterer Teil des dissoziierten Wasserstoffs aus der Aufkohlungsschicht entweicht und
daß die Wälzlagerelemente direkt nach dem Halten auf 300° C im Aufkohlungsofen auf Härtetemperatur von etwa 805° C erwärmt, bei dieser Härtetemperαtur austenitisiert und anschließend zum Erzielen einer Oberflächenhärte von 60 bis 64 HRC in Luft, Öl oder Salz abgeschreckt werden (Fig. 1 ) .
Bei großen Wälzlagerringen ist es ratsam, nach dem Abkühlen und Halten auf 300° C ein Zwischenglühen folgen zu lassen. Die Wälzlagerringe werden dann nach dem Halten auf etwa 300°C unmittelbar von dieser Temperatur auf etwa 610° C erwärmt und bei 610βC zur Homogenisierung des Gefüges und zur Spαnnungsfreimαchung zwischengeglüht . Dieses Zwischenglühen erfolgt am besten mit einer Haltezeit von 8 Stunden. Anschließend kann direkt von Zwischenglühtemperatur auf Härtetemperatur erwärmt und gehär¬ tet werden (Fig . 2) . Die Erwärmung auf H "tetemperatur und das Härten der /Välzlαgerringe kann im entsprechend heizbaren Aufkohlungsofen erfol¬ gen, so daß die oft schweren Wälzlagerringe während der gesamten Wärme¬ behandlung nicht vom Aufkohlungsofen in einen anderen Ofen, z. B. Glüh ¬ ofen oder Härteofen, transportiert werden müssen.
Bei gegebenenfalls notwendiger Zwischenbearbeitung können die Wälzlager¬ ringe aber auch nach dem Zwischenglühen von 610° C auf Raumtemperatur (20° ) in Stickstoff oder in Luft langsam abgekühlt werden (Fig . 3) . Dabei wird weiterer dissoziierter Wasserstoff aus der Aufkohlungsschicht entlas¬ sen . Die Zeit bis zur Abkühlung auf Raumtemperatur (20° C ) beträgt etwa 1 Stunde. Nach der Zwischenbearbeitung werden die Wälzlagerringe von Raumtempera¬ tur auf Härtetemperatur gebracht, gehärtet und in Luft, Öl oder Salz abgeschreckt .
Nach dem Härten wird meistens noch ein Anlassen vorgesehen, damit die Wälzlagerelemente ein martensitisches Gefüge erhalten, welches der Oberflä¬ che (Wälzlαgerlαuf fläche) eine Härte von 58 bis 62 HRC verleiht .
Die Wälzlαgerelemente werden schließlich fertiggeschliffen und gegebenenfalls an ihrer Lauff läche noch gehont oder poliert .
Anstelle von Propangas als Aufkohlungsmittel kann übrigens ein anderes G Gaass,, zz.. BB.. MMeetthhaann ((CCHH..)),, wweellcchheess beim Aufkohlen Kohlenstoff und Wasser- stoff freigibt, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
. Verfahren zum Einsatzhärten von Wälzlαgerelementen, insbesondere großen Wälzlαgerringen, aus niedriglegiertem, nickelhaltigem Stahl, bei dem die Wälzlagerelemente zum Herstellen einer Aufkohlungsschicht bei etwa 970°C in einem Aufkohlungsofen in einem Aufkohlungsgas, z. B. Propangas (C - ), mit dissoziierendem Kohlenstoff und Wasserstoff gehalten, abgekühlt, auf Härtetemperatur erwärmt und in der Aufkoh¬ lungsschicht austenitisiert und schließlich zum Erzielen einer Oberflä¬ chenhärte von 60 bis 64 HRC abgeschreckt werden, dadurch gekenn¬ zeichnet,
- daß das Abkühlen der Wälzlagerelemente von der Aufkohlungskitze bis auf etwa 300°C in bewegtem Inertgas erfolgt, so daß die Aus¬ scheidung von Korngrenzenkarbiden im Stahlgefüge vermieden wird und während des Abkühlens ein Teil des dissoziierten Wasserstoffs des Aufkohlungsgases aus der Aufkohlungsschicht herausdiffundiert und
- daß die Wälzlagerelemente anschließend bei dieser Temperatur in diesem Inertgas gehalten werden, so daß ein weiterer Teil des disso¬ ziierten Wasserstoffs aus der Aufkohlungsschicht entweicht .
2. Verfahren nach Anspruch "i , dadurch gekennzeichnet, daß das Halten bei etwa 300° C mit einer Haltezeit von mindestens 1h erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Halten auf 300° C von dieser Temperatur auf Härtetemperatur von etwa 850° C erwärmt vird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekannzeichnet, daß unmittelbar nach dem Halten auf etwa 300° C von dieser Temperatur auf etwa 610° C erwärmt und bei dieser Temperatur zwischengeglüht wird .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Zwischenglühen von 610°C auf Härtetemperatur von etwa 805° C erwärmt und bei dieser Temperatur austenitisiert wird .
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zwischenglühen von 610° C auf Raumtemperatur (20° C ) in Luft langsam abgekühlt wird .
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglühen mit einer Haltezeit bis zu 8h erfolgt .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen nach dem Aufkohlen, das Halten bei 300° C, das Erwärmen auf 610°C und das Zwischenglühen bei 610°C in Stickstoff als Inertgas im auf Stickstoffatmosphäre umschαlt baren, entsprechend heizbaren Aufkohlungsofen erfolgt .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwär¬ men auf Härtetemperatur und das Austenitisieren der Wälzlagerelemente ebenfalls im entsprechend heizbaren Aufkohlungsofen erfolgt .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein Stahl mit folgenden Analysewerten (%) verwendet wird :
0 0, 15 - 0, 20
Ni 3, 25 - 3, 75
Cr 1 , 30 - 1 , 60
Mo 0, 15 - 0, 25
Mn 0, 40 - 0, 70
S max . 0, 035
P max . 0, 035
Rest Eisen und erschr.ielzungsbedinπte Verunreinigungen.
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