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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine karburierte Komponente und ein Verfahren
zur Herstellung derselben.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Zahnräder, die
als Kraftübertragungskomponenten
für Kraftfahrzeuge
usw. benützt
werden, sind Komponenten, die unter Fußhöhenbruch, welcher dort an der
Fußhöhe auftritt,
wo Biegebelastung stattfindet, sowie unter schlupfinduzierten Bruch
(Grübchenbildung)
leiden, welcher in der Umgebung des Wälzpunktes auftritt. Folglich
wurde weithin eine Technik des Karburierens der Oberfläche der
Komponente verwendet, zu dem Zweck Eigenschaften zu erfüllen, die
ausreichend sind den rauen Bedingungen zu widerstehen, und weitere Fortschritte
wurden durch Kombinieren verschiedener Materialien und Wärmebehandlungen
erreicht.
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Insbesondere
in den letzten Jahren fand eine erfolgreiche Entwicklung statt in
Bezug auf ein Material, welches in der Lage ist, Wachstum einer
Korngrenzenoxidschicht sowie einer abnormal karburierten Schicht während einer
Karburierung zu unterdrücken,
die als nachteilig für
Fußhöhenbruch
verstanden werden. Eine weitere Errungenschaft hinsichtlich der Verbesserung
der Festigkeit wurde üblicherweise
durch Kugelstrahlen erreicht.
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Andererseits
wurde auch die Grübchenbildung
extensiv untersucht, und es wurde herausgefunden, dass, um die Festigkeit
zu verbessern, es wirksam ist, ein Aufweichen des Materials zu verhindern.
Zahnräder verursachen
Schlupf auf ihren Zahnoberflächen
und der repetetive Kontakt erzeugt Hitze im Bereich unmittelbar
unter der Zahnoberfläche.
Die Temperatur fällt
bekanntlich in diesem Zustand in einem Bereich von ungefähr 200° bis 300° C, wobei
mit der hierdurch erzeugten Hitze vermutlich das Material aufweicht
und folglich dies zu einem Grübchenbildungsbruch
führt.
Man glaubt daher, dass ein Verhindern eines Aufweichens in einem
Temperaturbereich von ungefähr
200° bis
300°C zum
Verbessern des Grübchenbildungsbruchs
wirksam ist und es wurden Materialien weiterentwickelt, denen Si,
Cr, Mo usw. als Legierungselemente mit in diesem Temperaturbereich
ausgezeichneten Aufweichungswiderstand zugefügt ist.
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- [Patentdokument] Japanische Patent-Offenlegungsschrift „Tokkaihei" Nr. 6-158266
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Mit
den neuesten Zunahmen in der Ausgangsleistung von Kraftfahrzeugen
usw. soll jedoch das Zahnrad eine größere Härte aufweisen, aber die vorliegende
Situation ist die, dass das oben beschriebene Material zum Erfüllen der
Anforderungen unzureichend ist.
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Diese
Erfindung wurde unter Berücksichtigung
der oben beschriebenen Situation konzipiert und eine Aufgabe derselben
ist es, eine karburierte Komponente bereitzustellen, welche eine
höhere
Festigkeit für Kraftübertragungskomponenten
wie bspw. Zahnräder
umsetzt, sowie ein Herstellungsverfahren dieser Komponenten bereitzustellen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Mit
dem Ziel, die oben genannten Probleme zu lösen, weist eine karburierte
Komponente, im Wesentlichen bestehend in Massenprozent einschließlich beider
Enden aus C: 0,1–0,30%,
Si: 0,80–1,50%,
Mn: 0,30–1,20%,
Cr: 2,0–5,5%
und dem Gleichgewicht zwischen Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, über den
Bereich ausgehend von der Stahl-Oberfläche bis zu einer Tiefe von
0,2 mm nach Vakuum-Karburierung eine mittlere C-Konzentration von
1,2% oder mehr und 3,0% oder weniger auf, weist einen Karbidgebietsanteil von
15% oder mehr und 60% oder weniger über den Bereich ausgehend von
der Oberfläche
bis zu einer Tiefe von 50 μm
auf, das Karbid auf, welches in einer derart fein dispergierten
Art und Weise ausgefällt
ist, dass das Karbid mit einer Korngröße von 10 μm oder weniger 90% oder mehr
des gesamten Abschnitts ausmacht, und weist eine Tiefe einer Korngrenzenoxidschicht
unter der Oberfläche
von 1 μm
oder weniger auf.
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Es
ist ebenfalls zulässig,
zusätzlich
entweder ein Element oder beide Elemente aus Mo: 0,2 bis 1,0% und
V: 0,2 bis 1,0% hinzuzufügen.
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Diese
Erfindung weist grundlegende Merkmale auf, wie sie weiter unten
beschrieben sind. Dies bedeutet, dass man einer großen Menge
von feinen Karbidkörnern
gestattet, durch Hochkonzentrations-Vakuumkarburierung in dem Oberflächenabschnitt
der Komponente auszufällen
und die Oberflächenkorngrenzenoxidschicht
im Wesentlichen auszuschließen,
um dadurch die Oberflächenhärte und
Festigkeit zu erhöhen. Zusätzlich wird
der Temperaufweichungswiderstand im Bereich von ungefähr 200 bis
300°C durch
Einbringen einer großen
Menge von Si, was durch die Vakuum-Karburierung realisiert wird, verstärkt, und
dadurch kann ein erwünschter
Grad an Oberflächendauerfestigkeit
erhalten werden. Diese Merkmale können nur unter den passend
eingestellten Bestandteilen und Bedingungen, wie sie weiter unten
ausführlich
beschrieben sind, erhalten werden.
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•C: 0,10 bis 0,30%
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C
ist ein wesentliches Element, um für die Komponente einen notwendigen
Grad an Festigkeit sicherzustellen, und soll notwendigerweise in
einer Menge von 0,10% oder mehr enthalten sein. Ein übermäßig großer Gehalt
davon steigert andererseits die Härte des Materials und setzt
folglich die maschinelle Bearbeitbarkeit herab und macht dadurch
die Bearbeitung der Komponente schwierig. Die obere Grenze ist deshalb
auf 0,30% eingestellt.
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•Si: 0,80 bis 1,50%
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Si
soll als ein desoxidierendes Element enthalten sein, welches im
Prozess des Schmelzens wirkt und eine wichtige Rolle bei dieser
Erfindung spielt. Das Element löst
sich in der Festkörpermatrix,
um dadurch den Temperaufweichungswiderstand so zu erhöhen, dass
ein hoher Grad von Oberflächendauerfestigkeit
erhalten werden kann. Das Element kann ebenfalls Wachstum von groben
Karbidkörnern
unterdrücken,
da es nur eine kleine Festkörperlöslichkeit
in das Karbid zeigt und erhöht
die Si-Konzentration
im Basismetall. Überdies
zeigt Si unter Ausfällen
einer großen
Menge von Karbid nur eine kleine Festkörperlöslichkeit in die Karbidanreicherungen
in der Matrix und verbessert ferner den Temperaufweichungswiderstand
der Matrix. Das Element ist notwendigerweise in einer Menge von
0,80% oder mehr enthalten, um diese Wirkung zu erhalten. Andererseits hemmt
ein übermäßiger Gehalt
des Elements ein Ausfällen
und die Karburierungsoberflächenreaktion
des Karbids, was dadurch die Karburierungseigenschaft und ebenfalls
die Duktilität
deutlich herabsetzt, was dadurch Rissbildung im Prozess der Umformung
wahrscheinlicher macht. Die obere Grenze des Gehalts ist deshalb
auf 1,50% begrenzt.
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Si
ist ein Element, welches die Oxidation der Korngrenze im Prozess
einer allgemeinen Gaskarburierung fördert, und die Korngrenzenoxidschicht
ist ursächlich
für ein
Vermindern der Schlagfestigkeit und Dauerfestigkeit der Fußhöhe. Die
Gaskarburierung kann daher keine große Menge an Si hinzufügen, wohingegen die
Vakuumkarburierung, wie oben beschrieben, das Problem der Korngrenzenoxidation
lösen kann
und es ermöglicht,
eine hoch-siliziumhaltige Komponente zu erhalten.
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•Mn: 0,30 bis 1,20%
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Mn
soll als ein desoxidierendes Element enthalten sein, welches in
dem Schmelzprozess wirkt und einen Effekt einer Verbesserung der
Härtungseigenschaften
aufweist, sodass es notwendig ist, eine Menge von 0,30% oder mehr
zu enthalten. Bei dieser Erfindung sollen Elemente, welche eine
Wirkung einer Verbesserung der Härtungseigenschaft
aufweisen, wie bspw. Cr, begleitend enthalten sein, wobei die zur
Karbidbildung fähigen
Elemente, wie bspw. Cr, manchmal unter Umständen sogar unter einem erhöhten Cr-Gehalt
oder ähnlichem
in Abhängigkeit
des Karbidgehalts, nur zu einer ungenügenden Härtungseigenschaft führen. Es
ist deshalb wirksam den Mn-Gehalt einzustellen, um einen notwendigen
Grad der Härtungseigenschaft
zu erhalten. Andererseits setzt ein übermäßiger Gehalt die maschinelle
Bearbeitbarkeit aufgrund einer Steigerung in der Härte des
Materials herab und somit ist die obere Grenze auf 1,20% eingestellt.
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•Cr: 2,0 bis 5.5%
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Cr
ist ein Element, welches eine wichtige Rolle bei dieser Erfindung
spielt. Es ist notwendig, dass dieses Element als ein Karbid bildendes
Element und als ein Element, welches die Härtungseigenschaft verbessert,
in einer Menge von 2,0% oder mehr enthalten ist. Ein übermäßiger Gehalt
des Elements setzt andererseits die maschinelle Bearbeitbarkeit
wegen der gesteigerten Härte
des Materials herab und macht die Erzeugung von Netzwerk-strukturiertem
Karbid in der Korngrenze wahrscheinlicher. Die obere Grenze des
Gehalts ist deshalb auf 5.5% begrenzt.
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•Mo: 0,2 bis 1,0%
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Mo
geht, ähnlich
wie Cr, mit C eine Bindung ein, um das Karbid zu erzeugen und weist
einen Effekt einer Verbesserung der Grübchenbildungsfestigkeit durch
Erhöhen
des Aufweichungsswiderstands über
den Temperaturbereich von 200°C
bis 300°C
auf. Damit diese Wirkung erreicht wird, ist das Element bevorzugt
in einer Menge von 0,2% oder mehr enthalten. Andererseits setzt
ein übermäßiger Gehalt
des Elements die maschinelle Bearbeitbarkeit wegen eines Anstiegs
der Härte
des Materials herab und steigert somit die Materialkosten. Der obere
Grenzwert des Gehalts ist deshalb bevorzugt auf 1,0% begrenzt.
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•V: 0,2 bis 1,0%
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V
geht, ähnlich
wie Cr und Mo, mit C eine Bindung ein, um das Karbid zu erzeugen
und weist einen Effekt einer Verbesserung der Grübchenbildungsfestigkeit durch
Erhöhen
des Aufweichungsswiderstands mittels Produktion eines MC-Karbids
auf. Damit diese Wirkung erreicht wird, ist das Element bevorzugt
in einer Menge von 0,2% oder mehr enthalten. Andererseits setzt
ein übermäßiger Gehalt
des Elements die maschinelle Bearbeitbarkeit wegen einer Steigerung
der Härte
des Materials herab. Die obere Grenze des Gehalts ist deshalb bevorzugt
auf 1,0% begrenzt.
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•Karburierung: Vakuumkarburierung
(bei 1.000 Pa oder darunter)
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Die
karburierte Komponente dieser Erfindung wird einer Vakuumkarburierung
unterworfen. Die Vakuumkarburierung macht es möglich, das Wachstum der Korngrenzenoxidschicht
zu vermindern und ist daher erfolgreich, die Festigkeit der karburierten
Komponente zu erhöhen.
Wie oben beschrieben, wird Si als ein wesentlicher Bestandteil hinzugefügt. Si ist
ein Element, welches die Korngrenzenoxidation im Prozess der allgemeinen
Gaskarburierung fördert,
und solch eine Korngrenzenoxidation ist ursächlich für die Reduzierung der Schlagfestigkeit
und der Dauerfestigkeit der Fußhöhe. Es ist
daher extrem schwer für
die allgemeine Gaskarburierung einen großen Si-Gehalt zu erreichen.
Hingegen kann die Vakuumkarburierung eine Bildung der Korngrenzenoxidschicht
unterdrücken
und kann auf einfache Weise einen hohen Si-Gehalt realisieren.
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•Tiefe der Korngrenzenoxidschicht:
1 μm oder
weniger
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Die
Korngrenzenoxidschicht bewirkt ein Vermindern der Dauerfestigkeit
und der Festigkeit der Anti-Grübchenbildung,
wobei der Grad des Verminderns größer wird, wenn die Tiefe zunimmt.
Für die
karburierte Komponente dieser Erfindung wird die Tiefe der Korngrenzenschicht
von der Oberfläche
des Stahls aus nach dem Vakuum-Karburieren auf 1 μm oder weniger
eingestellt.
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•Mittlere C-Konzentration bis
zu einer Tiefe von 0,2 mm ausgehend von der Oberfläche: 1,2%
oder mehr und 3,0% oder weniger
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Die
allgemeine Karburierung wird normalerweise als eine eutektische
Karburierung der Stahloberfläche
mit dem Ziel eines eutektischen C-Gehalts von 0,8% ausgeführt. Im
Gegensatz dazu zielt diese Erfindung darauf ab, die Anti-Grübchenbildungseigenschaft
mittels Ausfällen
des Karbids in der Oberflächenschicht
des Stahls zu verbessern, um dadurch den Aufweichungsswiderstand
zu verstärken,
sodass es notwendig ist C zu einem Gehalt des eutektischen C-Gehalts
(0,8%) oder mehr zu enthalten. Zusätzlich kann die Oberflächendauerfestigkeit
selbst dann nicht verbessert werden, wenn dem Carbid erlaubt wird
auszufällen,
wenn nicht das Karbid mit einem notwendigen Gehalt für das Verbessern
des Aufweichungswiderstands enthalten ist, sodass es ebenfalls notwendig
ist, dafür
zu sorgen, dass C in einer für
die Verbesserung ausreichenden Menge enthalten ist.
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Ausgehend
von diesen Standpunkten ist die mittlere C-Konzentration über den
Bereich von der Oberfläche
des Stahls bis zu einer Tiefe von 0,2 mm (wird auch nachstehend
als Oberflächen-C-Konzentration
bezeichnet) auf 1,2% oder mehr eingestellt. Der Grund, weshalb der
Bereich ausgehend von der Oberfläche
des Stahls bis zu einer Tiefe von 0,2 mm definiert ist, ist der, dass
die Härte
in solch einem Bereich ausschlaggebend hinsichtlich des Grübchenbildungswiderstands
ist. Ein übermäßiger Gehalt
resultiert andererseits in einer Produktion von großen Karbidkörnern und
verursacht unzureichende Härtungseigenschaften
des Basismaterials, wodurch die Festigkeit herabgesetzt wird. Die
obere Grenze der Oberflächen-C-Konzentration ist
demnach auf 3,0% begrenzt.
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•Karbidgebietsanteil über den
Bereich ausgehend von der Oberfläche
bis zu einer Tiefe von 50 μm:
15% oder mehr und 60% oder weniger
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Ein
Ausfällen
des Karbids erhöht
die Oberflächenhärte, verbessert
den Aufweichungswiderstand im Temperaturbereich von 200°C bis 300°C, und verbessert
den Anti-Grübchenbildungswiderstand.
Ein Karbidgebietsanteil über
den Bereich ausgehend von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von
50 μm von
weniger als 15% kann jedoch nicht vollständig den Aufweichungswiderstand
verbessern und kann keine ausreichende Wirkung einer Festigkeitsverbesserung
erhalten. Der 60% übersteigende
Karbidgebietsanteil kann andererseits den Aufweichungswiderstand
verbessern, vermindert jedoch die Oberflächen- und Biegedauerfestigkeit,
da das Karbid mit einer größeren Korngröße wahrscheinlicher
entlang der Korngrenze in der Art und Weise eines Netzwerks ausfällt. Eine
beispielhafte Betrachtung des erhaltenen Karbids ist in 4 dargestellt.
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•Ausgefälltes Karbid, welches fein
dispergiert ist, sodass das Karbid mit einer Korngröße von 10 μm oder weniger
90% oder mehr des gesamten Abschnitts ausmacht.
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Das
Karbid ist ein hartes Korn und kann ähnlich wie nicht-metallische
Einschlüsse,
wie bspw. Al-Oxid und Ti-Nitrid, als Ausgangspunkt für einen Ermüdungsbruch
dienen. Ein kleineres Karbid ist deshalb stärker bevorzugter, wobei dessen
Korngröße notwendigerweise
auf 10 μm
oder weniger kontrolliert wird, um nicht dem Karbid die Möglichkeit
zu geben, als Ausgangspunkt eines Ermüdungsbruchs zu existieren.
Daher wird das Karbid kontrolliert, derart fein dispergiert auszufallen,
dass das Karbid mit einer Korngröße von 10 μm oder weniger
90% oder mehr des gesamten Abschnitts ausmacht. Eine beispielhafte
Betrachtung der erhaltenen Karbide ist in 4 dargestellt.
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Mit
dem Ziel die oben beschriebene karburierte Komponente herzustellen,
unterwirft ein Herstellungsverfahren einer karburierten Komponente
dieser Erfindung den Stahl, welcher die oben erwähnten Stahl-Bestandteile enthält, einer
primären
Karburierung bei einer Temperatur von Acm oder darüber, kühlt dann
rasch den Stahl bis auf einen Punkt A1 oder darunter ab, und unterwirft
dann den Stahl einer sekundären
Karburierung bei einer Temperatur des Punktes A1 oder darüber und
Acm oder darunter. Die primäre
Karburierung wird genauer, wie in 1A und 1B dargestellt,
bei einer Temperatur von Acm oder darüber so ausgeführt, dass
das Karbid nicht ausfällt,
was eine hohe Festkörperlöslichkeitsgrenze
von C und keine Karbidausfällung ermöglicht (zwischen
den Punkten „a" und „b"). Als Nächstes wird
der Stahl rasch gekühlt,
um C in einen Festkörper übersättigt zu
lösen (zwischen
den Punkten „b" und „c"). Anschließend wird
der Stahl erneut bis auf einen Punkt A1 oder darüber erhitzt, um dadurch feinen
Karbidkernen zu erlauben, gleichmäßig ausgehend von dem mit C übersättigten
Basismaterial auszufällen
(zwischen Punkten „d" und „e", siehe dazu die
obere Zeichnung in 2), und ferner wird der Stahl
einer sekundären
Karburierung unterworfen, um so die Kerne wachsen zu lassen (zwischen
den Punkten „e" und „f", siehe die untere
Zeichnung in 2). Eine derartige mehrstufige
Karburierung kann eine Hohe-C-Konzentrationskarburierung
mit einer kontrollierten feinen Dispersion des Karbids realisieren,
ohne dem Netzwerk-strukturierten Karbid eine Ausfällung zu
ermöglichen.
Im Gegensatz dazu macht die bis zu dem Hoch-C-Konzentrationsbereich vor dem Punkt
Acm ausgeführte
Karburisierung, wie in 3 gezeigt ist, die Erzeugung
des Netzwerk-strukturierten groben Karbids sehr wahrscheinlich. Die
Karburierung wird hierbei durch Vakuumkarburierung (bei 1.000 Pa
oder darunter), wie oben beschrieben, ausgeführt.
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Es
ist ferner zulässig,
falls notwendig, den Stahl nach der sekundären Karburierung einem Stoßverformen
zu unterwerfen, um dadurch die Festigkeit zu verbessern. Kugelstrahlen
(S/P;"shot peening") und Wasserstrahlen
(W/J;"water jet
peening") sind bspw.
für das
Stoßverformen
anwendbar.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind
Zeichnungen, welche die in das Verfahren zur Herstellung einer karburierten Komponente
dieser Erfindung involvierte Karburierung erläutert;
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung und eine Zeichnung eines während der
Karburierung in 1 betrachteten Stahlabschnitts;
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3 zeigt
eine Zeichnung, welche eine von dieser Erfindung unterschiedliche
exemplarische Karburierung erläutert
sowie eine Zeichnung eines betrachteten Abschnitts; und
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4 ist
eine Zeichnung eines betrachteten Abschnitts der karburierten Komponente
dieser Erfindung.
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Beispiele
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Die
folgenden Abschnitte werden Tests beschreiben, die zur Bestätigung der
Effekte dieser Erfindung ausgeführt
wurden.
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Zuerst
wurde jeder Stahl mit der in Tabelle 1 aufgeführten chemischen Zusammensetzung
in einem 150-kg-Hochfrequenz-Vakuuminduktionsofen geschmolzen. Der
erhaltene Stahlbarren wurde, um eine Rundstange mit 90 mm Durchmesser
herzustellen, gewalzt oder heiß geschmiedet
oder, falls notwendig, weiter heiß geschmiedet, um eine Stahlbarrenform
mit einem Durchmesser von 22 bis 32 mm zu erhalten, der als ein
Teststück
benutzt wurde.
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Bei
den Zusammensetzungen der in Tabelle 1 aufgeführten Vergleichsbeispiele sind
jene, die von den durch die Erfindung spezifizierten Zusammensetzungsbereichen
abweichen, durch einen Abwärtspfeil
(↓) gekennzeichnet
sind, die unter den Untergrenzen liegen, sowie durch und einen Aufwärtspfeil
(↑) gekennzeichnet,
die die oberen Grenzen überschreiten.
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Die
erhaltenen Teststücke
wurden den folgenden Bewertungen unterworfen.
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(1) Bewertung der Herstellbarkeit
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Die
Herstellbarkeit wurde durch Messen der Härte nach dem Glühen bewertet.
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Eine
Rundstange als Teststück
mit einem Durchmesser von 32 mm und mit einer Länge von 100 mm wurde einem
Prozess des Glühens
bei 920°C
1 Stunde lang unterworfen, um weiter bei 760°C 5 Stunden lang geglüht zu werden,
und die Härte
wurde an der Position von R/2 an dem Querschnitt gemessen. Die Messung der
Härte erfüllt dabei
JIS Z 2245 (B-Maßstab)
mit einem Zielwert von HRB90 oder weniger.
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(2) Bewertung der grundlegenden
Eigenschaften der Karburierung
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(2-1) Verfahren der Karburierung
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Eine
Rundstange wurde als Teststück
zur Karburierungsbeschaffenheit mit einem Durchmesser von 10 mm
und einer Länge
von 100 mm ausgehend von einem geschmiedeten Stahlbarren mit einem
Durchmesser von 22 mm hergestellt. Die Karburierung wurde in einem
Vakuum-Karburierungsofen unter Verwendung von Propan als dem Karburierungsgas
ausgeführt,
wobei die C-Konzentration der Oberfläche durch Einstellen der Flussrate
des Propangases, der Diffusionszeit und der Karburierungstemperatur
geregelt/gesteuert wurde. Die Karburierung wurde an zwei Zustandslevel
durchgeführt,
um eine C-Konzentration der Oberfläche von 1,5% bzw. 2,5% zu erreichen.
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Das
Beispiel 3 betreffend, wurde die Karburierung über den Bereich der C- Konzentration
der Oberfläche
ausgehend von 0,8 bis 3,2%, ausgeführt, um Einflüsse der
C-Konzentration der Oberfläche
zu untersuchen.
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Die
Karburierungsbedingungen sind wie folgt.
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Primäre Karburierung
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Das
Teststück
wurde bei 1.100°C
für 70
min karburiert, um die C-Konzentration
der obersten Oberfläche
auf etwa 1,2% einzustellen, und wurde dann rasch durch Kühlgas auf
einen Temperaturbereich wie 500°C oder
darunter gekühlt,
um dadurch zu gestatten, dass C in den Stahl eindringt, und zwar
bei einem hohen Konzentrationsbereich, um keine Ausfällung des
Karbids zu verursachen.
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Sekundäre Karburierung
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Das
Teststück
wurde der Ausfällungsbehandlung
unterworfen, indem es in einem Temperaturbereich von 850°C bis 900°C in Abhängigkeit
von der Zielkarburierungskonzentration gehalten wurde, wurde weiter
in dem Temperaturbereich von 850°C
bis 1.000°C
60 bis 90 min lang in Abhängigkeit
von der Ziel-C-Konzentration karburiert, und wurde gehärtet indem
es in ein auf 130°C
gehaltenes Ölbad
getaucht wurde. Das Teststück wurde
nach dem Härten
bei 180°C
120 min lang geglüht.
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(2-2) Elemente der Bewertung
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In
den folgenden Absätzen
werden nun die Elemente der Bewertung beschrieben.
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Ergebnisse
der Bewertung sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die durch Variieren der
C-Konzentration der Oberfläche
erhaltenen Ergebnisse des Beispiels 3 sind in Tabelle 3 aufgeführt.
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C-Konzentration
der Oberfläche
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Nach
Karburierung wurde die C-Konzentration unter Verwendung eines Schleifspats
gemessen, welcher von der Oberfläche
bis zu einer Tiefe von 0,2 mm des behandelten Teststücks stammt.
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Karbidgebietsanteil
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Der
Querschnitt des karburierten und geglühten Teststückstabs wurde poliert, mit
Picral korrodiert, bis zu einem Bereich mit einer Tiefe von 50μm ausgehend
von der Oberfläche
wurde unter einem SEM (bei einer 3,000x Betrachtungsvergrößerung)
fotografiert, und der Anteil des Gebiets wurde durch eine Bildanalyse
gemessen.
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Größe des Karbids
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Das
Teststück
wurde unter denselben Bedingungen wie oben beschrieben betrachtet
und der Anteil des durch die 10 μm
oder weniger großen
Karbidkörner
eingenommenen Gebiets gemessen.
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Vorhandensein oder Fehlen
des Netzwerk-strukturierten Karbids
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Das
Teststück
wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben betrachtet,
wobei das Vorhandensein oder Fehlen des Netzwerk-strukturierten
Karbids untersucht wurde.
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Vorhandensein oder Fehlen
der unvollständig
gehärteten
Struktur
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Der
Querschnitt des karburierten und geglühten Teststückstabs wurde poliert, mit
Nital korrodiert, bis zu einem Bereich mit einer Tiefe von 50μm ausgehend
von der Oberfläche
wurde unter einem optischen Mikroskop fotografiert und schließlich das
Vorhandensein oder Fehlen der unvollständig gehärteten Struktur untersucht.
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Tiefe der
Korngrenzenoxidschicht
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Der
Querschnitt des karburierten und geglühten Teststückstabs wurde poliert. Die
dabei resultierende Oberfläche
wurde unter einem optischen Mikroskop in einem unkorrodierten Zustand
betrachtet, und die Tiefe der Schicht gemessen, welche schwarz entlang
der Korngrenze an der obersten Oberfläche erscheint.
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Temperaufweichungswiderstand
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Der
karburierte und geglühte
Teststückstab
wurde weiter bei 300°C
180 min lang geglüht,
der Querschnitt poliert und die Härte bei einer Tiefe von 50 μm ausgehend
von der obersten Oberfläche
gemessen. Die Härte
hierbei erfüllt
JIS Z 2244 (Hv0,3), wobei ein Wert von Hv750 oder darüber als
eine Kennzahl angesehen wird, welche eine ausreichende Wirkung einer
Festigkeitsverbesserung (≥ 30%:
verglichen mit SCR420 Gas-karburierten eutektischem Stahl) gewährleistet. [Tabelle
2]
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Ausgehend
von Tabelle 2 ist bekannt, dass alle Beispiele 1 bis 10 keine Schwierigkeiten
bei der Herstellbarkeit (Temperhärte ≤ HRB90) zur
Folge haben, d. h. diese keine unvollständig gehärtete Struktur, kein Netzwerkstrukturiertes
Karbid und keine Korngrenzenoxidation, welche ursächlich sind
für die
Herabsetzung der Härte,
zeigen und einen ausreichenden Grad an Temperhärte (≥ 750Hv) bei 300°C zum Resultat
haben. Vergleichsbeispiele 2, 4, 6 und 8 bis 10 zeigen dagegen eine
große
Härte nach
dem Glühen
und sind problematisch bei der Herstellbarkeit. Vergleichsbeispiele
3 und 8 zeigen nur unzureichende Regel-/Steuergrade einer feinen
Dispersion des Karbids aufgrund eines niedrigen Si- und eines großen Cr-Gehalts.
Die Erzeugung des Netzwerk-strukturierten Karbids und anderer grober
Karbide kann demnach auf unerwünschte
Weise die Festigkeit herabsetzen. Vergleichsbeispiel 4 mit zu großem Si-Gehalt
führt zu
einem Problem bei der Herstellbarkeit, hemmt die Karburisierungseigenschaft
und kann der Karburisierung nicht ermöglichen, zu einem ausreichenden
Grad voranzuschreiten. Vergleichsbeispiele 5 und 7 mit niedrigem
Cr- und Mn-Gehalt, die nur einen schwachen Grad an Härtungseigenschaften
zum Resultat haben, zeigen die unvollständig gehärtete Struktur und können demnach
auf unerwünschte
Weise die Festigkeit herabsetzen. [Tabelle
3]
![Figure 00200001](https://patentimages.storage.googleapis.com/a1/9a/46/ad60ddaae63fba/00200001.png)
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Ausgehend
von Tabelle 3 ist bekannt, dass die auf eine C-Konzentration der
Oberfläche
von weniger als 1,2% gerichtete Karburierung erfolgreich bei der
Verbesserung der Oberflächendauerfestigkeit
ist, jedoch nicht darin erfolgreich ist eine ausreichende Wirkung
bei der Verbesserung der Festigkeit (≥ 30%) zu erhalten. Die Karburierung,
die auf eine Oberflächenkonzentration
von mehr als 3,0% abzielt, ist andererseits darin erfolgreich einen
ausreichenden Grad einer 300°C-Temperhärte zu erhalten,
zeigt jedoch Netzwerk-strukturiertes Karbid und grobes Karbid und
ist somit nicht erfolgreich eine ausreichende Wirkung bei der Verbesserung der
Festigkeit zu erhalten.
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(3) Bewertung der Oberflächendauerfestigkeit
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Die
Oberflächendauerfestigkeit
wurde unter Verwendung eines Wälz-Grübchenbildungstesters
bewertet, wobei die Oberflächendauerfestigkeit
als der Druck auf die Belastungsfläche definiert wurde, welcher
keine Grübchenbildung
in über
107 Testzyklen verursacht. Im speziellen wurde ein Rundstab mit
32 mm Durchmesser durch konstantes Heizen bei 950°C aufgeweicht,
gefolgt durch ein allmähliches
Kühlen
desselben, und wurde anschließend
maschinell bearbeitet, um ein Wälz-Grübchenbildungsteststück mit einem
Durchmesser eines Testbereichs von 26mm herzustellen. Eine zu dem
Teststück
entsprechende Walze wurde unter Verwendung von SUJ2 konfiguriert
und einem Abschrecken- und -Tempern unterworfen, um eine Härte von
HRC61 zu erreichen. Die Krümmungsradien
von großen
Walzen sind 150R und 700R. Die Karburierung wurde gleichzeitig mit
der Karburierung ausgeführt,
welche für
die grundlegende Bewertung des erfindungsgemäßen Stahls ausgeführt wurde.
Ein Bereich des Wälz-Grübchenbildungsteststücks wurde
bei 300°C
3 h lang nach der Karburierung getempert, und weiterhin wurde eine Bewertung
hinsichtlich der Karbonkonzentration, des Karbidgebietsanteils und
der maximalen Karbidgröße sowie
der Temperhärte
durchgeführt.
Die Dauerfestigkeit der Oberfläche
eines jeden Materials wurde, unter der Annahme, dass die Dauerfestigkeit
der Oberfläche
des eutektisch Gaskarburierten JIS-SCR420-Materials 1,0 beträgt, durch
eine Kennzahl ausgedrückt.
Ein ausreichender Effekt einer Festigkeitverbesserung um 30% oder
mehr verglichen mit dem eutektisch Gas-karburierten JIS-SCR420H-Stahl wurde angestrebt.
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Die
Ergebnisse der Bewertung sind in Tabelle 4 aufgelistet. [Tabelle
4]
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Ausgehend
von Tabelle 4 ist bekannt, dass alle Beispiele von 1 bis 10 darin
erfolgreich sind, ausreichende Grade (≥ 30%) einer Festigkeitsverbesserung
zu erhalten. Vergleichbares Beispiel 1 zeigt dagegen nur eine niedrige
Festigkeit aufgrund der schwachen Festigkeit des Kernabschnitts.
Vergleichbare Beispiele 2, 4, 6, 9 und 10 sind erfolgreich bei der
ausreichenden Verbesserung der Festigkeit, jedoch problematisch
bei der Herstellbarkeit. Vergleichsbeispiele 3 und 8 weisen Wachstum
des Netzwerk-strukturierten Karbids und anderer grober Karbide auf,
und scheitern daran einen ausreichenden Grad der Wirkung einer Festigkeitsverbesserung
zu erhalten. Vergleichsbeispiele 5 und 7 mit niedrigem Gehalt von
Cr und Mn weisen, wie durch die unvollständig gehärtete Struktur angezeigt, nur
schwache Härtungseigenschaften
auf und scheitern daran einen ausreichenden Grad der Wirkung einer
Festigkeitsverbesserung zu erhalten.
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Wie
durch die oben beschriebenen Tests nachgewiesen wurde, wurde bestätigt, dass
die karburierte Komponente dieser Erfindung eine große Menge
an feinen Karbidkörnern
aufweist, welche im Oberflächenbereich
derselben ausgefällt
sind, dass die karborierte Komponente dieser Erfindung im Wesentlichen
frei ist von den Korngrenzenoxidschichten im Oberflächenabschnitt,
und sie auf den Gebieten der Oberflächenhärte und Festigkeit herausragend
ist.
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Diese
Erfindung hat zum Ziel, eine karburierte Komponente bereitzustellen,
die eine größere Festigkeit für Kraftübertragungskomponenten,
wie bspw. Zahnräder,
realisiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
Die karburierte Komponente dieser Erfindung, welche die Realisierung
der Aufgabe zum Ziel hat, besteht im Wesentlichen in Massenprozent
einschließlich
beider Enden aus C: 0,1–,30%,
Si: 0,80– 1,50%,
Mn: 0,30–1,20%,
Cr: 2,0–5,5%,
und dem Rest von Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, und weist über den
Bereich ausgehend von der Stahl-Oberfläche bis zu einer Tiefe von
0,2 mm eine mittlere C-Konzentration
von 1,2% oder mehr und 3,0% oder weniger nach Vakuum-Karburierung auf,
weist einen Karbidgebietsanteil von 15% oder mehr und 60% oder weniger über den
Bereich ausgehend von der Oberfläche bis
zu einer Tiefe von 50 μm
auf, weist das Karbid auf, welches in einer derart fein dispergierten
Weise ausgefällt
ist, dass das Karbid mit einer Korngröße von 10 μm oder weniger 90% oder mehr
des gesamten Abschnitts ausmacht, und weist eine Tiefe einer Korngrenzenoxidschicht
unter der Oberfläche
von 1 μm
oder weniger auf.
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1A
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- erste Karburierung
- zweite Karburierung
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1B, 3
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-
2
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- zwischen d–e
- Ausfällung
der Feinkarbidkörner
- zwischen e–f
- Wachstum der Karbidkörner