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DE3018454A1 - Heat treatment of steel parts, esp races for rolling bearings - using brief immersion in liq. nitrogen to reduce residual austenite in surface - Google Patents

Heat treatment of steel parts, esp races for rolling bearings - using brief immersion in liq. nitrogen to reduce residual austenite in surface

Info

Publication number
DE3018454A1
DE3018454A1 DE19803018454 DE3018454A DE3018454A1 DE 3018454 A1 DE3018454 A1 DE 3018454A1 DE 19803018454 DE19803018454 DE 19803018454 DE 3018454 A DE3018454 A DE 3018454A DE 3018454 A1 DE3018454 A1 DE 3018454A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
nitrogen
heat treatment
liq
esp
races
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19803018454
Other languages
German (de)
Inventor
Alois Dipl Ing Geiwitsch
Paul Dipl Ing Grohmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Steyr Daimler Puch AG
Messer Austria GmbH
Original Assignee
Steyr Daimler Puch AG
Messer Griesheim Austria GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Steyr Daimler Puch AG, Messer Griesheim Austria GmbH filed Critical Steyr Daimler Puch AG
Publication of DE3018454A1 publication Critical patent/DE3018454A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/36Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for balls; for rollers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/04Hardening by cooling below 0 degrees Celsius

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Abstract

The part is heated to form austenite, and is then quenched, followed by tempering is required to reduce brittleness. The surface region only of the part is next cooled in a liq. gas, esp. in N2, which is pref. applied as a sprayed mist. The invention is designed to eliminate residual tensile stresses in the surface zones of the parts. By selective sub-zero cooling of the surface zones, some of the residual austenite in these zones is converted to martensite, which creates an increase in vol., producing desirable compressive stresses working in opposition to the stress applied when the part is in use.

Description

Verfahren zur Vrärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl,Process for the heat treatment of workpieces made of steel,

insbesondere Wälzlagerringen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl, insbesondere Wälzt lagerringen, bei dem das Werkstück auf ausreichende Austenitisierungstemperatur erhitzt, abgeschreckt, dann gegebenenfalls zur Verminderung der Sprödigkeit wieder erwärmt und durch ein tiefsiedendes, verflüssigtes,Gas vorzugsweise Stickstoff, abgekühlt wird. in particular roller bearing rings The invention relates to a method for the heat treatment of workpieces made of steel, in particular rolling bearing rings which the workpiece is heated to a sufficient austenitizing temperature, quenched, then optionally reheated to reduce the brittleness and through a low-boiling, liquefied gas, preferably nitrogen, is cooled.

Bei der Wärmebeahndlung von Werkstücken aus Stahl soll nicht nur abgekühlt, sondern auch gehärtet werden. When it comes to heat treatment of workpieces made of steel, not only should cooled, but also hardened.

Es kommen daher - zu den Abkühlungswärme spannungen- zusätzliche Spannungen aus der Umwandlung des Gefüges.There are therefore - in addition to the cooling heat stresses - additional stresses from the transformation of the structure.

Während der Abkühlung bauen sich Randzugeigenspannungen auf. Bei Erreichen des Martensitpunktes kommt es plötzlich zu einer Volumenvergrößerung durch die Umwandlung, die Druckspannungen bedingt. Diese Druckspannungen müssen im Kernbereich ausgeglichen werden, der dadurch unter Zug-Spannungen gerät. Eine- weitere Spannungsumkehr erfolgt, wenn auch der Kernbereich unter den Martensitpunkt abgekühlt ist und sich unter Volumenvergrößerung umwandelt.During the cooling process, residual tensile stresses build up. Upon reaching of the martensite point suddenly there is an increase in volume due to the transformation, the compressive stresses. These compressive stresses must be balanced in the core area , which thereby comes under tensile stress. Another voltage reversal takes place, even if the core area has cooled below the martensite point and is below Volume enlargement converts.

Da aber die äußere Schale bereits hart ist, kann sie diese Dehnungen des Kernbereiches nicht mehr durch Fließen abbauen und kommt daher unter Zugspannung. Der für die mertensitische Härtung typische Eigenspannungsverlauf zeigt daher Zugeedgenspannungen im Randbereich der Werkstückes, die in Druckeigenspannungen im Kern übergehen.But since the outer shell is already hard, it can do this stretching of the core area no longer degrade by flowing and therefore comes under tensile stress. The internal stress curve typical for mertensitic hardening therefore shows tensile stresses in the edge area of the workpiece, which transform into internal compressive stresses in the core.

Bei Belastung des Werkstückes, insbesondere eines Wälzlagerringes kommt es dann zu einer ungünstigen Uberlagerrung der Zugeigenspannungen mit der sich aus der Werkstückbeanspruchung ergebenden Spannung und damit zu einer insgesamt höheren Belastung, die sogar die zulässige Beanspruchung überschreiten kann. When the workpiece, in particular a roller bearing ring, is loaded there is then an unfavorable superposition of the residual tensile stresses with the stress resulting from the stress on the workpiece and thus to a total higher load, which can even exceed the permissible load.

Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl, bei denen der Restaustenit durch Tieftemeperaturbehandlung in Martensit umgewandelt wird, sind bereits bekannt. Dabei wird aber stets der ganze Restaustenit in Martensit umgewandelt, wobei bisher Spannungen im Werkstück möglichst vermieden werden sollten. Process for the heat treatment of workpieces made of steel, in which the retained austenite is converted into martensite by low temperature treatment, are already known. However, all of the retained austenite is always used converted into martensite, with tensions in the workpiece being avoided as far as possible up to now should be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, Werkstücke aus Stahl, insbesondere Wälzlagerringe so zu behandeln, daß bei ausreichender Härte keine Zugeigenspannungen im Randbereich mehr vorhanden sind. The invention is based on the object of specifying a method with the help of which it is possible to produce workpieces made of steel, in particular roller bearing rings to be treated in such a way that, given sufficient hardness, there are no residual tensile stresses in the edge area more are available.

Die Erfindung lot die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Abkühlung lediglich im Randbereich des Werkstückes -vor sich geht. The invention solves the task set in that the cooling only in the edge area of the workpiece.

-Dabei kann in Abhängigkeit von der notwendigen Umwandlungstemeperatur.das Werkstück verschieden lange abgekühlt werden. Die niedrigste erreichbare Abkühlungstemperatur entspricht der Siedetemperatur des verflüssigten Gases;- für- Stickstoff 77,4 K bei 1013 mbar. In üblicher Weise wärmebehandelter, konventioneller 1z1agerstah1 hat etwa 8 - 10 % Restaustenit, der bei der Abkühlung auf etwa 77 K zum Großteil in Martensit umgewandelt wird. -Depending on the necessary conversion temperature, the Workpiece can be cooled down for different lengths of time. The lowest possible cooling temperature corresponds to the boiling point of the liquefied gas; - for- nitrogen 77.4 K at 1013 mbar. Conventional 1z1agerstah1 heat-treated in the usual way has about 8 - 10% retained austenite, most of it when it cools down to about 77 K. is converted into martensite.

Bei dieser nur auf den Randbereich beschränkten Umwandlung ergibt sich eine Volumenvergrößerung, so daß die vordem vorhandenen Zugeigenspannungen im Randbereich abgebaut werden und sogar die gewünschten Druckspannungen auftreten.This conversion, which is limited to the edge area only, results an increase in volume, so that the previously existing tensile internal stresses are reduced in the edge area and even the desired compressive stresses occur.

Es geht- also darum im Randbereich möglichst Druckspannungen zu erzelen. Dazu ist es notwendig im Randbereich den Austenit in Martensit umzuwandeln,wogegen im Kernbereich das ursprüngli-che Gefüge erhalten bleiben soll.It is about creating compressive stresses in the edge area as much as possible. For this it is necessary to convert the austenite into martensite in the edge area, whereas the original structure is to be retained in the core area.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Äbkühlung des Randbereiches mit Stickstoff-Sprühnebel. Bei einem solchen Sprühnebel besteht die Möglichkeit das Mischungsverhältnis von flüssigem und gasförmigem Anteil zu variieren und dadurch auch die Wärmeübergangszahl vom Werkstück auf das Kühlmedium zu verändern bzw. eine genaue Anpassung an den Randbereich zu erzielen, in dem die Druckspannungen auftreten sollen. In a further embodiment of the invention, the edge area is cooled with nitrogen spray. With such a spray there is a possibility to vary the mixing ratio of liquid and gaseous components and thereby also to change the heat transfer coefficient from the workpiece to the cooling medium or a to achieve exact adaptation to the edge area in which the compressive stresses occur should.

Die Erfindung wird an Hand des nachstehenden Ausführungsbeispiels noch näher erläutert: Eine Wälzlagerolle aus Werkstoff Nr. 1. 2067 (100 Cr 6) mit einem Durchmesser von 90 mm und 200 mm Länge wurde auf 8700 C erwärmt, 30 min auf dieser Austnitisierungstemperatur gehalten, anschließend in 600 G warmem Öl abgeschreckt und schließlich auf 1800 C Anlaßtemeperatur erwärmt. Auf dieser Temperatur wurde die Rolle eine Stunde lang gehalten. Darauf wurde eine Probe genommen und ein Restaustenitgehalt von 12 % festgestellt. The invention is based on the following exemplary embodiment explained in more detail: A roller bearing made of material no. 1. 2067 (100 Cr 6) with a diameter of 90 mm and 200 mm in length was heated to 8700 C for 30 min kept this Austnitization temperature, then quenched in 600 g warm oil and finally heated to 1800 C tempering temperature. At this temperature it was held the roll for an hour. A sample was then taken and a residual austenite content found by 12%.

Danach wurde die Rolle unter Drehen im flpssigen Stickstoff getaucht, wobei die Tauchzeit 10 sec betrug. Eine anschließende neuerliche Untersuchung ergab, daß der Restaustenitgehalt innerhalb eines Randbereiches von 3 mm 6 % nicht überschritt, wogegen im Kernbereich der Restaustenitgehalt bei 12 % unverändert geblieben war.The roller was then immersed in liquid nitrogen while rotating, the immersion time being 10 seconds. A subsequent renewed investigation showed that the residual austenite content within an edge area of 3 mm did not exceed 6%, whereas in the core area the retained austenite content remained unchanged at 12%.

Claims (2)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl-, insbesondere Wälzlagerringen, bei dem das Werkstück auf ausreichende Austenitisierungstemperatur erhitzt, abgeschreckt, dann gegebenenfalls zur Verminderung der Sprödigkeit wieder erwärmt und durch ein tiefsiedendes, verflüssigtes Gas, vorzugsweise Stickstoff, abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung lediglich im Randbereich des Werkstückes vor sich geht. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Process for the heat treatment of Workpieces made of steel, in particular roller bearing rings, in which the workpiece is on sufficient austenitizing temperature heated, quenched, then if necessary to reduce the brittleness, reheated and replaced by a low-boiling, liquefied one Gas, preferably nitrogen, is cooled, characterized in that the cooling only goes on in the edge area of the workpiece. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Randbereiches mit Stickstoff-Spruhnebel erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the cooling the edge area is carried out with nitrogen spray.
DE19803018454 1979-05-18 1980-05-14 Heat treatment of steel parts, esp races for rolling bearings - using brief immersion in liq. nitrogen to reduce residual austenite in surface Ceased DE3018454A1 (en)

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AT367379A AT362807B (en) 1979-05-18 1979-05-18 METHOD FOR THE HEAT TREATMENT OF WORKPIECES FROM STEEL, IN PARTICULAR ROLLER BEARING RINGS

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3919199A1 (en) * 1989-06-13 1990-12-20 Skf Gmbh METHOD FOR THE PRODUCTION OF ROTOR BEARING ELEMENTS
US5800641A (en) * 1995-07-11 1998-09-01 Ina Walzlager Schaeffler Kg Method of thermal or thermochemical treatment of precision steel components

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EP0294813B1 (en) 1987-06-10 1994-09-21 Nippondenso Co., Ltd. Antifriction bearing and alternator incorporating same for use in vehicles
USRE38936E1 (en) 1987-06-10 2006-01-17 Koyo Seiko Co., Ltd. Antifriction bearing and alternator incorporating same for use in vehicles

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