CN109154330A - 万向节十字轴衬套的碳氮共渗 - Google Patents

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CN109154330A CN201780031717.4A CN201780031717A CN109154330A CN 109154330 A CN109154330 A CN 109154330A CN 201780031717 A CN201780031717 A CN 201780031717A CN 109154330 A CN109154330 A CN 109154330A
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Abstract

本发明涉及一种用在驱动轴和转向轴中的十字轴万向节的万向节十字轴衬套(1)，万向节十字轴衬套具有外环(2)，该外环具有通过至少一种用于将元素扩散到万向节十字轴衬套(1)的近表面的区域中的措施形成的表层(R)，其中，外环(2)的表层(R)包括氮。本发明此外涉及一种用于制造万向节十字轴衬套(1)和/或用于提高具有含氮表层(R)的万向节十字轴衬套(1)的耐磨性的方法。

Description

万向节十字轴衬套的碳氮共渗
技术领域
本发明涉及一种用于在驱动轴和转向轴中使用的十字轴万向节的万向节十字轴衬套以及一种用于制造万向节十字轴衬套的方法。
背景技术
万向节十字轴衬套通常在万向节轴的十字轴万向节中使用，其中，十字轴万向节被布置在以弯曲角度定向的两个轴之间。
通常在这种结构中，每个轴在端部设有万向节叉。此外，商业上通用的万向节十字轴包括四个相互间错开90°的销，这些销将万向节叉相互连接起来，其中，一个万向节叉配设两个销。在此情况下，这些销分别经由万向节十字轴衬套在与作为径向轴承的滚针组件结合下成对地在万向节叉中使用。
由现有技术中已知的和使用的万向节十字轴衬套在常规上是表面硬化的。但是这些万向节十字轴衬套在小的旋转角度和同时高的旋转频率下经受增大的磨损，特别是在滚动体滚道的侧面上，滚针组件的滚针在万向节十字轴衬套的内部中在该滚动体滚道上滚动。结果发生轴承损坏，这使得需要更换万向节十字轴衬套。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提出一种万向节十字轴衬套，它的衬套本体或它的外环具有优化的磨损保护或耐磨性。此外，本发明还要解决的技术问题是提出一种用于制造万向节十字轴衬套的方法，其中万向节十字轴衬套的衬套本体或外环因此具有优化的磨损保护。
根据本发明，这些技术问题通过独立权利要求的特征实现。另外有利的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，在第一方面上，一种用于在驱动轴和转向轴中的十字轴万向节的万向节十字轴衬套包括外环。优选地，滚针组件的滚针在所述的外环上滚动，由此例如万向节十字轴衬套能够围绕万向节十字轴的销旋转。因此优选地，外环形成例如用于滚针轴承的滚动体滚道。
有利地，外环具有通过至少一种用于将元素扩散到万向节十字轴衬套的近表面的或表面附近的区域中的措施形成的表层。在此有利的是，外环的表层包含氮。通过这种方式，能够借助于氮(或借助于碳氮共渗)提高万向节十字轴衬套的导电性能。
通过形成含氮表层，根据本发明的万向节十字轴衬套不仅在它们的机械性能，如特别是表面硬度、耐磨强度、防翻性能等等方面上具有优异的性能特征。此外被用氮加强的表层产生更好的回火稳定性，及由此的滚道或滚动体滚道的额外的磨损保护/耐磨性，及由此的更长的寿命。
根据本发明，含氮表层通过至少一种用于将氮扩散到万向节十字轴衬套的近表面的区域中的措施形成。依据各自的在至少一种用于将氮扩散到近表面的区域中的措施的范围内使用的工艺参数，例如温度、压强、持续时间、可能需要的氮环境的氮含量的浓度，能够有针对性地对万向节十字轴衬套的待形成的或已形成的含氮表层进行影响。特别地，能够以这种方式和方法在工艺学方面上影响或控制氮原子的渗入深度以及在表层中的氮原子的浓度。
此外，有利的是，含氮表层具有预定的层厚度，有利地在1μm至1.5mm的范围内，特别是在1μm至0.3mm的范围内，优选地在1至50μm的范围内。当然，另外的、预定的层厚度是可能的。在此情况下，优选地，预定的层厚度依据万向节十字轴衬套的壁厚而变化。在此情况下有利的是，例如在6mm的壁厚情况下实现至少1.5mm的层厚度；而例如在0.5mm的壁厚情况下实现至少30μm的层厚度，则是有利的。有利地，在两个具有不同壁厚的万向节十字轴衬套的比较中，与另一个万向节十字轴衬套相比，具有较小壁厚的万向节十字轴衬套同样具有表层的较小的层厚度。
预定的层厚度，特别是上面所述的范围，具有提供足够的磨损保护或耐磨性的优点。与此相应地，例如借助于预定的层厚度，与传统的万向节十字轴衬套相比，根据本发明的万向节十字轴衬套能够吸收相同的机械力，其中，但是在表层中被用氮加强的万向节十字轴衬套具有更长的使用寿命。
结合所提到的预定的层厚度，应该提到的是，该预定的层厚度能够通过对至少一种用于将元素扩散到万向节十字轴衬套的近表面的区域中以形成含氮表层的措施的适当的工艺选择和工艺控制进行调整。
优选地，万向节十字轴衬套具有被表层包围的芯部。有利地，表层相对于芯部具有增加的氮含量，增加的氮含量特别是至少0.04％。在表层中相对于芯部的至少0.04％的增加的氮含量的上述极限值理想地导致提高的耐磨性以及优选地导致提高的防翻性能。
也有利的是，万向节十字轴衬套具有表面硬化钢或由表面硬化钢制成。在此情况下有利的是，使用表面硬化钢DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415。当然也能够使用另外表面硬化钢。表面硬化钢或上述的钢非常适合于优化深冲压制造的或也切削加工制造的万向节十字轴衬套的性能。
有利地，万向节十字轴衬套的壁厚在0.5mm和6mm之间的范围内。该壁厚允许借助于深冲压或切削加工方法容易地制造。
本发明的第二方面包括一种用于制造万向节十字轴衬套和/或用于提高具有含氮表层的万向节十字轴衬套的耐磨性的方法。
在此明确地指出，万向节十字轴衬套的特征，如它们在本说明书的第一方面中提到的那样，能够单独地或能彼此组合地在现在随后描述的方法中使用。
换句话说，上面在本发明的第一方面中提及的涉及万向节十字轴衬套的特征也能够在此处在本发明的第二方面中与另外的特征组合。当然，这反过来也是适用的，也就是说，第二方面的特征能够与第一方面的特征组合。
有利地，该方法包括下面的步骤：
一个有利的制造步骤包括提供由表面硬化钢，特别是由DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415制成的万向节十字轴衬套。当然，也能够使用另外的表面硬化钢。在此情况下，这种提供能够包括将毛坯或预成型坯件深冲压成万向节十字轴衬套，但也能够包括用例如预成型坯件以切削加工方式来制造万向节十字轴衬套。当然，用于形成万向节十字轴衬套的外形的另外的制造方法也是可能的。
此外，有利的是，制造步骤包括实施至少一种用于将氮扩散到万向节十字轴衬套的近表面的区域中以形成含氮表层的措施。借助于该措施，在合适的条件下，能够使外来原子，特别是氮，扩散到所提供的万向节十字轴衬套的微观结构中。因此，能够在万向节十字轴衬套的近表层或近表面的区域中形成含氮表层。
此外，将氮扩散到万向节十字轴衬套的微观结构中，特别是在其表层中，导致一种固溶强化，并且是有利地恰好在表层的区域中。万向节十字轴衬套在表层的区域中的由此产生的现有原子微观结构的变化导致提高的硬度。通过含氮表层的形成也改善了另外的机械性能，如特别是耐磨性或抗翻性能。借助于用氮强化的表层也能够实现改善的回火稳定性并因此能够实现在万向节十字轴衬套的滚道或滚动体滚道的磨损保护/耐磨性方面上的进一步提高。
作为用于形成含氮表层的措施，优选进行万向节十字轴衬套的热化学处理。有利地，该热化学处理在至少800℃的温度范围内进行。在所述温度范围内的所述热化学处理能够将外来原子，特别是氮扩散到万向节十字轴衬套的现有的微观结构中，万向节十字轴衬套优选地具有表面硬化钢。
通过确定或调整在热化学处理范围内施加的温度，能够影响万向节十字轴衬套的表层中扩散氮的动力学。以这种方式，能够有针对性地调整待形成的含氮表层的预定的特性。因此，例如与温度相关的影响能够对万向节十字轴衬套的尺寸稳定性和/或表面质量或粗糙度产生作用，其中，当然在获知其信息下能够反作用于所述的特性或者能够将这些特性保持在可容忍的程度上。
此外有利的是，这样地实施至少一种用于形成含氮表层的措施，即形成具有最好1μm至0.3mm，优选地1至50μm的预定的层厚度的含氮表层。在此情况下，优选地，预定的层厚度能够依据万向节十字轴衬套的壁厚而变化。在此有利的是，例如在6mm的壁厚的情况下，实现至少1.5mm的层厚度，而有利的是，例如在0.5mm的壁厚的情况下，实现至少30μm的层厚度。有利地，在两个具有不同壁厚的万向节十字轴衬套的比较中，具有相比较小壁厚的万向节十字轴衬套具有与另一个万向节十字轴衬套相比同样较小的表层的层厚度。
预定的层厚度，特别是上面所述的范围，具有提供足够的磨损保护的优点。与此相应地，与根据已知方法传统地制造的万向节十字轴衬套相比，借助于预定的层厚度，根据本发明的用于制造万向节十字轴衬套的方法制造的万向节十字轴衬套能够承受相同的机械力。但是，根据在这里提出的方法的、在表层中用氮强化的万向节十字轴衬套具有长得多的使用寿命。
有利地，所述提供包括对预成型坯件或毛坯，优选成形件的深冲压或切削加工，特别是车削或铣削。以这种方式，万向节十字轴衬套能够在其完成的预备阶段中在接下来的实施至少一种用于将氮扩散到万向节十字轴衬套的近表面的区域中以形成含氮表层的措施的步骤之前进行准备。
有利地，作为用于形成含氮表层的措施，优选在附加地添加氮的情况下，实施表面硬化，特别是实施碳氮共渗工艺和/或等离子渗氮和/或气体渗氮和/或气体氮碳共渗。这些过程必要时也能够组合地或在时间上依次实施。
等离子体渗氮工艺通常被理解为将氮扩散到待处理的初始材料中。
气体渗氮是一种热化学工艺过程，其中待处理的材料，也就是说，特别是待硬化的材料被温控并且在此情况下被暴露给含有氮的气体，例如氨(NH3)，该气体然后使得氮扩散到起始材料中。
气体氮碳共渗允许氮扩散到待处理的材料中，其中，待处理的材料被附加地暴露给含碳的气体(例如，CO2)，即总体上由含氮和碳的气体组成的气体混合物，并且被相应地温控。
碳氮共渗工艺或碳氮共渗优选被理解为热化学过程，其中有利地，部件的表层通过碳和/或氮的扩散而被强化。由此能够实现部件表层的机械性能的改善。
有利地，碳氮共渗工艺或碳氮共渗基于改性的表面硬化，其中，优选地，合适的回火能够将结构组成的表层调整到对应用特定的负载上。
特别地，碳氮共渗工艺或碳氮共渗的优点在于，提高表面硬度和表层硬度以及提高回火稳定性(＝耐热应力性能)和改善在滑动磨损情况下的性能。
理想地，碳氮共渗工艺或碳氮共渗作用在处理过的部件的表面上和在它的内部，直到所谓的表面硬化深度(CHD)，其中，理想地，部件或者说万向节十字轴衬套的芯部不受影响。
在下面以示例的方式在工艺流程中说明工艺渗碳/碳氮共渗或碳氮共渗工艺，其中，理想地，在万向节十字轴衬套处或其上制造扩散-磨损保护层。
碳氮共渗工艺或渗碳/碳氮共渗(热化学过程)的目的是制造具有更高硬度的高C(碳)和/或C+N马氏体(碳和氮)和/或N(氮)表层并且优选更好的回火稳定性。
在此情况下优选使用载体介质，例如载气+丙烷+NH4或等离子体(Glimmsaum)加上CH4或C2H6。
优选地，在850℃至1050℃的温度下使用载体介质，其中，这优选地持续0.5至8小时。随后有利地，已处理的万向节十字轴衬套在空气中冷却。
理想地，这样处理的万向节十字轴衬套具有0.05mm至几毫米的表面硬化深度(至少700HV)。
优选地，将经受碳氮共渗工艺或渗碳/碳氮共渗的万向节十字轴衬套预处理，并且是优选地通过表面硬化或调质处理来调整芯部强度或表面硬化深度。
作为预处理，也能够进行对功能面的研磨和/或强力清洗。
碳氮共渗工艺或渗碳/碳氮共渗能够在不同的设备中实施，尤其是例如在连续工作的带式直通炉、不连续工作的箱式炉、不连续工作的等离子体设备和/或在连续运行中的多室等离子体设备中实施。
在所提出的、根据本发明的方法的范围内，在实施至少一种用于形成含氮表层的措施之前，能够实施至少一个用于万向节十字轴衬套的冷作硬化，例如冷压成型，的措施。
金属材料的冷作硬化的措施优选被理解为金属材料在低于其各自的再结晶温度的温度下的塑性变形。在此情况下，材料的塑性变形提高了在各自的材料内的错位密度，由此使材料硬度提高。
下面换句话表述上面描述的发明构思。
该构思优选地，简单地说，涉及用于车辆的转向系和驱动系的万向节十字轴衬套的滚道或滚动体滚道的机械性能，特别是耐磨性或磨损保护的改进并且因此更高的寿命。在此情况下，一般地，万向节十字轴衬套以深冲压或也以切削机加工方式制造。
有利地，本发明从现有技术出发，其中已知的万向节十字轴衬套常规地被表面硬化。
在这些传统的衬套的情况下，在小的旋转角度并且同时高的旋转频率下会导致在滚动体滚道上的磨损或者说滚动体滚道的磨损。结果出现轴承损坏。
因此，本发明优选地以在磨损保护方向上优化衬套本体或万向节十字轴衬套的问题情况为出发点。
正是为了提高万向节十字轴衬套的性能，万向节十字轴衬套或它们的滚动体滚道根据本发明，并且简单地说，被碳氮共渗或者经受碳氮共渗工艺或渗碳/碳氮共渗。
在此情况下，相对于常规的表面硬化，在环境中附加地添加氮。这导致更好的回火稳定性并且因此对滚道/滚动体滚道的额外的磨损保护和因此使得万向节十字轴衬套的寿命更长。
附图说明
以下借助于实施例结合附图更详细地解释本发明。附图示意性地示出：
图1是万向节十字轴衬套的第一实施例的剖视图；
图2是万向节十字轴衬套的第二实施例的剖视图；以及
图3是万向节十字轴衬套的第三实施例的剖视图。
具体实施方式
图1示出了用于在车辆的驱动轴和转向轴中使用的十字轴万向节的万向节十字轴衬套的第一实施例，其中，万向节十字轴衬套1包括外环2。
在本示例中，万向节十字轴衬套1基本上具有两个竖直的部件和一个水平的部件，这些彼此连接，特别是被一体式构造。所述的部件一起构成杯形的万向节十字轴衬套1，其中，所示的水平的部件构成外环2。
在这三个部件之间的区域中，布置有滚针轴承的滚动体或滚针轴承的滚子3。因此，至少在杯形的万向节十字轴衬套1的内侧上，水平的部件或者说外环2形成滚动体滚道，滚子3能够在该滚动体滚道上滚动。
为了完整起见，应该提到的是，万向节十字轴衬套1的所述的三个部件具有不同的壁厚W0(杯形的万向节十字轴衬套1的底部的壁厚)、W1(万向节十字轴衬套1的外环2的壁厚)、W2(在杯形的万向节十字轴衬套1的敞开侧上的被卷边的边缘的厚度)，如图1中所示。所述的壁厚W0，W1，W2或者说万向节十字轴衬套1的壁厚W优选地在0.5mm和6mm之间的范围内。
外环2具有通过至少一种用于将元素扩散到万向节十字轴衬套1的近表面的区域中的措施形成的表层R。外环2的这个表层R包括氮或有利地通用提高的氮比例增富或强化。
如在图1的放大图中所示的那样，含氮表层R具有预定的层厚度d，特别地，该层厚度在1μm至0.3mm的范围内，优选地在1至50μm的范围内。
此外，万向节十字轴衬套1包括被表层R包围的芯部K，其中，理想地，表层相对于芯部K具有提高的氮含量，特别是至少0.04％的提高的氮含量。
在图1中示出的万向节十字轴衬套1例如能够以深冲压方式和/或借助于切削加工工艺来制造。
在此情况下，万向节十字轴衬套1具有表面硬化钢或由表面硬化钢制成，其中优选地，作为表面硬化钢，使用DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415。当然，另外的钢种也能够用于表面硬化钢。
根据本发明，在图1中所示的万向节十字轴衬套1借助于一种用于制造万向节十字轴衬套1和/或用于提高具有含氮表层R的万向节十字轴衬套1的耐磨性的方法来制造。
在一个具体的实施例中，该方法有利地包括以下步骤。
第一优选的步骤包括提供由表面硬化钢，特别是由DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415制成的万向节十字轴衬套1。在此情况下，该提供有利地还包括对预成型坯或毛坯，优选成形件的深冲压或切削加工，特别是车削或铣削。
切削加工制造的或深冲压的预成型坯件或万向节十字轴衬套1具有杯形的形状，如在图1至图3中所示。
随后的或者说另外的步骤包括实施至少一种用于将氮扩散/扩散到万向节十字轴衬套1的近表面的区域中以形成含氮表层R的措施。
有利地，在此情况下，作为用于形成含氮表层R的至少一种措施，实施对万向节十字轴衬套1的热化学处理，其中，优选地，该热化学处理在至少800℃的温度范围内进行。
有利地，这样地实施至少一种用于形成含氮表层R的措施，即形成具有最好1μm至0.3mm，优选1至50μm的预定的层厚度d的含氮表层R。
在此情况下，有利地，作为至少一种用于形成含氮表层R的措施，实施表面硬化，优选在附加地添加氮下，特别是实施碳氮共渗工艺和/或等离子体渗氮和/或气体渗氮和/或气体氮碳共渗。借助于所述方法，能够将氮引入万向节十字轴衬套1的近表面的区域中。
以上关于根据图1的实施例所做的说明同样能够应用于在图2和3中示出的另外的实施例。
与根据图1的实施例不同，在图2和图3中的万向节十字轴衬套1基本上具有不同的形状。特别地，在图2，图3中的这些实施例取消了在杯形的万向节十字轴衬套1的敞开侧处的垂直的第二部件。
所有上述根据图1至3的实施例的共同之处在于，这些万向节十字轴衬套1是用于车辆的转向和驱动系的。
下面再次简短地并且换句话地概括上面的描述。
从现有技术中已知的传统万向节十字轴衬套1通常是被表面硬化，其中，在小的旋转角度并且同时高的旋转频率下导致在滚动体滚道上的磨损。结果是轴承损坏，这使得需要更换万向节十字轴衬套。
因此，本发明有利地以在磨损保护方向上优化衬套本体或万向节十字轴衬套1或其外环2的问题情况为出发点。
为了实现优化并提高万向节十字轴衬套的性能，万向节十字轴衬套，简单地说，被碳氮共渗处理。
在此情况下，相对于常规的表面硬化，在环境中附加地添加氮。这导致更好的回火稳定性并且因此对滚道的额外的磨损保护和因此导致更高的寿命。
附图标记列表
1 万向节十字轴衬套
2 外环
3 滚动体/滚针轴承的滚子
d 层厚度
K 芯部
R 表层
W0 壁厚
W1 壁厚
W2 壁厚

Claims (9)

1.一种用在驱动轴和转向轴中的十字轴万向节的万向节十字轴衬套(1)，所述万向节十字轴衬套具有外环(2)，所述外环具有通过至少一种用于将元素扩散到所述万向节十字轴衬套(1)的近表面的区域中的措施形成的表层(R)，其特征在于，所述外环(2)的表层(R)包括氮。
2.根据权利要求1所述的万向节十字轴衬套，其中，所述含氮表层(R)具有预定的层厚度(d)，优选地在1至50μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的万向节十字轴衬套，其中，所述万向节十字轴衬套(1)具有被所述表层(R)包围的芯部(K)，其中，所述表层相对于所述芯部(K)具有增加的氮含量，特别地，碳含量增加至少0.04％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的万向节十字轴衬套，其中，所述万向节十字轴衬套(1)具有表面硬化钢，其中，优选使用表面硬化钢DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的万向节十字轴衬套，其中，所述万向节十字轴衬套(1)包括在0.5mm和6mm之间的范围内的壁厚(W0，W1，W2)。
6.一种用于制造万向节十字轴衬套(1)和/或用于提高具有含氮表层(R)的万向节十字轴衬套(1)的耐磨性的方法，其特征在于步骤：
-提供由表面硬化钢，特别是由DC04、C15、16MnCr5、25CrMo4和/或SCM415制成的万向节十字轴衬套(1)，
-实施至少一种用于将氮扩散到所述万向节十字轴衬套(1)的近表面的区域中以形成含氮表层(R)的措施，
-其中，作为用于形成所述含氮表层(R)的措施，实施所述万向节十字轴衬套(1)的热化学处理，和
-其中，在至少800℃的温度范围内实施所述热化学处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，这样实施至少一种用于形成所述含氮表层(R)的措施，即形成具有优选1至50μm的预定的层厚度(d)的含氮表层(R)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，包括提供对预成型坯，优选成形件的深冲压或切削加工，特别是车削或铣削。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，作为形成所述含氮表层(R)的措施，优选在附加地添加氮的情况下，实施表面硬化，特别是实施碳氮共渗工艺和/或等离子体渗氮和/或气体渗氮和/或气体氮碳共渗。
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