DE102006024441A1

DE102006024441A1 - Aufkohlverfahren

Info

Publication number: DE102006024441A1
Application number: DE102006024441A
Authority: DE
Inventors: Gregory A. Toledo Fett
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2006-11-30
Also published as: US20060266436A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum selektiven Aufkohlen (gezieltes, bereichsweises Aufkohlen) eines Stahlzahnrads oder eines ähnlichen eisenhaltigen Metallgegenstands angegeben. Das Verfahren nach der Erfindung umfaßt zwei ähnliche, aber gesonderte Verfahrensweisen. Die erste Verfahrensweise umfaßt die folgenden Schritte: Zuerst werden die Wurzelbereiche des Zahnrads mit einem geeigneten Abdeckmaterial abgedeckt, und dann wird eine erste Aufkohlungsbehandlung an dem Zahnrad ausgeführt. Dann wird das Abdeckmaterial von den Zahnradwurzeln entfernt, und dann wird eine zweite Aufkohlungsbehandlung an dem Zahnrad durchgeführt. Das dann erhaltene, aufgekohlte Zahnrad hat eine geringere Manteltiefe mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt an den Wurzelbereichen des Zahnrads. Das zweite Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Abdecken der Wurzelbereiche des Zahnrads mit einem Beschichtungsmaterial, welches die Kohlenstoffdiffusion in den Wurzelbereichen behindert oder einschränkt, aber nicht vollständig unterbindet. Dann wird das Zahnrad aufgekohlt. Schließlich wird das Behinderungsmittel entfernt. Das erhaltene, aufgekohlte Zahnrad hat einen Mantelbereich mit geringerer Tiefe mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt an den Wurzelbereichen des Zahnrads.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Systemen und Verfahrensweisen zum Aufkohlen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Systeme und Verfahrensweisen zum Aufkohlen von eisenhaltigen Metallgegenständen in einer solchen Weise, dass man unterschiedliche Kohlenstoffgehalte an unterschiedlichen Stellen hat.

Das Aufkohlen ist ein weithin bekanntes Verfahren zum Härten von Bereichen oder Oberflächen. Das Verfahren umfaßt das Diffundieren von Kohlenstoff in eine niedriggekohlte Stahllegierung, an einem Bereich oder einer Oberfläche, wie an einem Stahlgegenstand, und einem Bereich mit hohem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Der diffundierte Kohlenstoff reagiert normalerweise mit Stahllegierungen, um die Härte der Stahloberfläche zu verstärken. Das Aufkohlen kann zu einer Komponente führen, welche eine hohe Oberflächenhärte und einen weicheren Kern hat. Das Aufkohlen ist daher insbesondere zweckmäßig, wenn Komponenten, wie Zahnräder und Wellen behandelt werden sollen, welche einem starken Verschleiß unterliegen. Eine verbesserte Oberflächenhärte kann zu einer geeigneten Widerstandsfähigkeit gegen Reibungs- und Stoßverschleiß führen, ohne dass die gewünschten Eigenschaften des Grundmaterials hierdurch beeinträchtigt werden.

Das Aufkohlen erfolgt im allgemeinen dadurch, dass Teile in einem Ofen in Anwesenheit einer Atmosphäre erhitzt werden, welche die Diffusion von Kohlenstoff in die Oberfläche der Teile gestattet. Die Menge oder der Prozentsatz von Kohlenstoff wird durch die Zusammensetzung der Atmosphäre gesteuert. Die Diffusionstiefe des Kohlenstoffs in den Stahl kann durch die Temperatur der Komponente und die Behandlungszeit in einer Kohlenstoff enthaltenden Umgebung gesteuert werden. Am häufigsten wird ein aufzukohlendes Teil in einem Ofen auf eine gewünschte Aufkohltemperatur in einer Kohlenstoff enthaltenden Umgebung erhitzt. Nach dem Aufkohlen kann das Werkstück entweder langsam durch eine anschließende Abschreckhärtung abgekühlt werden, oder es kann direkt in unterschiedlichen gasförmigen oder flüssigen Abschreckatmosphären abgeschreckt werden. Da Kohlenstoff in die Oberfläche dieses Bereichs des Teils diffundiert ist, bekommt diese Oberfläche oder dieser Bereich eine sehr große Härte, während der Kern auf einen mittleren Härtewert gehärtet wird. Normalerweise wird die gesamte Oberfläche des Teils aufgekohlt, obgleich keramische Auftragsmittel oder Lacke eingesetzt werden können, um eine Aufkohlung an gewissen Bereichen gegebenenfalls zu verhindern. Das aufgekohlte Mantelmaterial ist hinsichtlich seiner Zusammensetzung und seiner Tiefe im Teil relativ gleichmäßig.

Es besteht ein Bedürfnis nach einem zweckmäßigen Verfahren zum gezielten und abgestimmten Aufkohlen einer Manteltiefe und eines Kohlenstoffgehalts des Grundmaterials, welche an verschiedenen Abschnitten eines Teils unterschiedlich im Vergleich zu den Ergebnissen sind, wenn insgesamt ein Aufkohlungsverfahren eingesetzt wird.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum selektiven Aufkohlen (gezielt und an vorbestimmten Stellen in unterschiedlicher Weise aufgekohlt) eines eisenhaltigen Metallgegenstandes, wie eines Zahnrades, bereit. Das Verfahren nach der Erfindung umfaßt zwei ähnliche, aber gesonderte Verfahrensweisen. Die erste Verfahrensweise umfaßt die folgenden Schritte: Zuerst wird ein Bereich oder eine Fläche des Gegenstands mit einem geeigneten Abdeckmaterial abgedeckt, und dann wird ein erster Aufkohlungsvorgang an dem Gegenstand vorgenommen. Dann wird das Abdeckmaterial von dem Gegenstand entfernt, und es wird ein zweiter Aufkohlvorgang an dem Gegenstand ausgeführt. Der erhaltene aufgekohlte Gegenstand hat einen leichteren Mantel mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt an dem abgedeckten Teil oder Bereich des Gegenstands. Die zweite Verfahrensweise umfaßt folgende Schritte: Abdecken eines Bereichs des Gegenstands mit einem Abdeckmaterial, welches die Kohlenstoffdiffusion in dem abgedeckten Bereich oder abgedeckten Teil behindert, aber nicht vollständig unterbindet. Dann wird der Gegenstand aufgekohlt. Schließlich wird das Mittel zur Behinderung der Aufkohlung entfernt. Der erhaltene aufgekohlte Gegenstand hat einen gewichtsmäßig leichteren Mantel mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt an dem abgedeckten Bereich des Gegenstands.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin gilt:
1A ist eine schematische Ansicht eines ersten Schritts zum Abdecken des Wurzelbereichs bzw. Fußbereichs bei der ersten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung;
1B ist eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung eines zweiten Schritts der Aufkohlung des freigelegten Bereichs bei der ersten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung;
1C ist eine schematische Ansicht eines dritten Schritts zum Entfernen der Abdeckung bei der ersten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung;
1D ist eine schematische Ansicht eines vierten Schritts zum nochmaligen Aufkohlen des Zahns einschließlich des Wurzel- bzw. Fußbereichs bei der ersten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung;
2A ist eine schematische Ansicht eines ersten Schritts zum Aufbringen eines Mittels zum Verhindern des Aufkohlens an dem Fußbereich bzw. Wurzelbereich bei der zweiten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung;
2B ist eine schematische Ansicht eines zweiten Schritts zum Aufkohlen des gesamten Zahns einschließlich des Bereichs, an welchem ein Behinderungsmittel bei der zweiten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung aufgebracht ist;
2C ist eine schematische Ansicht eines dritten Schritts zum Entfernen des Behinderungsmittels bei der zweiten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung.
Das Leistungsvermögen eines aufgekohlten Teils hängt von dem Prozentsatz des Kohlenstoffs in dem Mantel sowie der Tiefe des Mantels ab. Beim Biegen eines Zahnradzahns beispielsweise ist ein leichterer oder weniger tiefer Mantel hinsichtlich der Festigkeit und der Stoßeigenschaften günstiger. Im Hinblick auf die Kontaktfestigkeit und die Dauerhaftigkeit an der Oberfläche eines Zahnradzahns wird ein tieferer Mantelbereich bevorzugt. Im Hinblick auf eine maximale Biegeermüdungswiderstandsfähigkeit ist ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt im Mantelteil günstiger. Im Hinblick auf eine maximale Kontaktermüdungswiderstandsfähigkeit ist ein hoher Prozentsatz von Kohlenstoff günstiger.
Nach der Erfindung werden die Manteltiefe und der Kohlenstoffgehalt des Mantels in unterschiedlicher Weise an unterschiedlichen Stellen eines Teils gezielt verändert und abgestimmt, und somit ein differenziertes Aufkohlungsverfahren durchgeführt. Hierdurch können die Eigenschaften eines Teils an unterschiedlichen Bereichen optimiert werden. Bei einem Zahnradzahn beispielsweise könnte eine geringere Manteltiefe und ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt am Fußbereich oder Wurzelbereich vorgesehen werden, um die Biegeeigenschaften zu verbessern, während eine größere Manteltiefe und ein höherer Kohlenstoffgehalt an der Zahnoberfläche vorgesehen werden könnte, um die Kontakteigenschaften zu verbessern.
Ein Verfahren zum gezielten unterschiedlichen Aufkohlen von Mantelflächen an unterschiedlichen Bereichen eines Teils umfaßt gesonderte Aufkohlungsbe handlungen. Die Zahnradoberfläche könnte auf einen höheren Kohlenstoffgehalt und eine größere Tiefe aufgekohlt werden, wobei die Wurzel- bzw. Fußbereiche abgedeckt werden.
1A ist eine schematische Ansicht eines ersten Schritts zum Abdecken des Wurzelbereichs bei der ersten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung. Wie in 1A gezeigt ist, wird nur der Wurzelbereich des Zahnradzahns 10 mit einem Abdeckmittel 20 versehen. Zu diesem Zweck wird dieser Flächenbereich mit einem Mittel abgedeckt, welches ein Aufkohlen verhindert, wozu beispielsweise ein Erzeugnis eingesetzt wird, welches unter dem Handelsnamen Condursal^® erhältlich ist. Dieses Mittel ist eine hochtemperaturbeständige Mischung aus Sand und Öl. Dieses Mittel kann von irgendeinem beliebigen Material gebildet werden, welches sich nach der Wärmebehandlung entfernen lässt, und das Eintreten von Aufkohlgas in die Schweißzone verhindert. Ein solches Mittel kann aus der Gruppe ausgewählt werden, welche Condursal^® ein mikrokristallines hochtemperaturbeständiges Wachs, einen hochtemperaturbeständigen Lack, einen Anstrich zur Sperrung von Kohlenstoff, einen keramischen Schichtauftrag oder andere Mittel umfaßt, welche dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Unter Bezugnahme auf 1B umfaßt die erste Verfahrensweise einen zweiten Schritt, gemäß welchem der freiliegende Bereich 30 des Zahnrads 10 auf einer Mantelfläche von 1,2 mm und einem Oberflächenkohlenstoffgehalt von 0,90% aufgekohlt wird. Dann wird das Abdeckmittel 20 von der Wurzel 12 (siehe 1C) entfernt, und die Zahnradzähne werden wiederum einschließlich des Wurzelbereichs entsprechend 1D aufgekohlt, so dass man an den Wurzelbereichen eine Manteltiefe von 0,4 mm und ein Oberflächenkohlenstoffgehalt von 0,60% erhält.
Bei einem modifizierten Aufkohlungsverfahren könnten die Schritte nach den 1A bis 1D ausgeführt werden, aber es könnte eine geringere Manteltiefe mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt am Wurzelbereich erhalten werden. Der erste Aufkohlungsvorgang erfolgt vorzugsweise bei einem Kohlenstoffgehalt, welcher höher als der aktuell gewünschte liegt, so dass die Diffusion, wel che während der zweiten Behandlung abläuft, den Kohlenstoffgehalt auf den gewünschten Wert herabsetzt.
Ein weiteres mögliches Verfahren zum gezielten, bereichsweisen Aufkohlen ist darin zu sehen, eine Beschichtung vorzusehen, welche die Kohlenstoffdiffusion an gewissen Bereichen behindert, diese aber nicht vollständig unterbindet, oder dass man entsprechende Bereiche abdeckt. Diese zweite bevorzugte Verfahrensweise umfaßt die Schritte nach den 2A–2C.
2A ist eine schematische Ansicht eines ersten Schritts zum Aufbringen eines Mittels zum Behindern der Aufkohlung an dem Fußbereich bzw. dem Wurzelbereich bei der zweiten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung. Dieses Behinderungsmittel unterbindet gewisse Aufkohlungen, aber nicht alle. Ein Nickelplattierungsmaterial ist ein bevorzugtes Behinderungsmittel. Jedoch kommen auch andere Materialien in Betracht, welche in geeigneter Weise teilweise das Aufkohlen unterbinden und die nach der Erfindung gestellten Anforderungen erfüllen. Wie in 2B gezeigt ist, werden die Zahnradzähne 10a, welche Bereiche umfassen, an welchen das Behinderungsmittel 20a aufgetragen ist, bei der zweiten Verfahrensweise zum Aufkohlen nach der Erfindung aufgekohlt. Als Folge hiervon werden die freigelegten Bereiche 10a und die behandelten Bereiche 20a in unterschiedlichem Ausmaß aufgekohlt. 2C zeigt schematisch einen dritten Schritt, bei welchem das Behinderungsmittel entfernt wird, so dass man bei dem Zahnrad 30 eine Aufkohlung erhält, die eine Manteltiefe von etwa 1,2 mm und einen Oberflächenkohlenstoffgehalt mit 0,90% aufweist, und man eine Manteltiefe von etwa 0,4 mm und einen Oberflächenkohlenstoffgehalt von etwa 0,60% an dem Fußbereich bzw. dem Wurzelbereich 40 erhält.
Wie zuvor beschrieben worden ist, gibt die Erfindung ein Verfahren zum selektiven Aufkohlen (gezielten, bereichsweisen Aufkohlen) eines eisenhaltigen Metallgegenstandes, wie eines Stahlzahnrades an. Beispielsweise umfaßt das Verfahren nach der Erfindung zwei ähnliche, aber gesonderte Verfahrensweisen:

1) Die erste Verfahrensweise umfaßt die folgenden Schritte: Zuerst werden die Wurzelbereiche des Zahnrads mit einem geeigneten Abdeckmaterial abgedeckt, und es wird eine erste Aufkohlungsbehandlung des Zahnrads durchgeführt. Dann wird das Abdeckmaterial von den Zahnradwurzeln entfernt, und es wird eine zweite Aufkohlungsbehandlung an dem Zahnrad durchgeführt. Das dann erhaltene aufgekohlte Zahnrad hat dann eine geringere Manteltiefe mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt an den Wurzelbereichen des Zahnrads;
2) Die zweite Verfahrensweise umfaßt die folgenden Schritte: Aufbringen eines Überzugsmaterial auf den Wurzelbereichen des Zahnrads, welches eine Kohlenstoffdiffusion in die Wurzelbereiche behindert, aber nicht vollständig unterbindet. Dann wird das Zahnrad aufgekohlt. Das erhaltene aufgekohlte Zahnrad hat einen Mantel mit geringerer Tiefe und einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt an den Wurzelbereichen des Zahnrads.

Obgleich das voranstehende Verfahren im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen erläutert worden ist, ist die Erfindung natürlich nicht auf die voranstehend beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann die Erfindung auf unterschiedliche Weise bei unterschiedlichen eisenhaltigen Metallgegenständen eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum selektiven Aufkohlen eines eisenhaltigen Metallgegenstands, welches die folgenden Schritte aufweist: Vorsehen eines eisenhaltigen Metallgegenstandes, welcher wenigstens einen ersten Bereich und wenigstens einen zweiten Bereich hat; Abdecken des wenigstens einen zweiten Bereichs des eisenthaltigen Metallgegenstands mit einer Schicht aus einem Abdeckmaterial, welches den wenigstens einen zweiten Bereich des eisenhaltigen Metallgegenstands gegenüber einer Aufkohlungsatmosphäre im wesentlichen isoliert; Aufkohlen des eisenhaltigen Metallgegenstands in einer Aufkohlatmosphäre, wobei der wenigstens eine zweite Bereich hiervon mit dem Abdeckmaterial abgedeckt ist; Entfernen der Schicht des Abdeckmaterials; und Aufkohlen des eisenhaltigen Metallgegenstandes zur Bildung eines aufgekohlten Gegenstandes in einer Aufkohlatmosphäre, wobei wenigstens eine der Manteltiefen und ein Bereich einen Kohlenstoffgehalt des wenigstens ersten Bereichs des eisenhaltigen Metallgegenstandes in einer abschließenden Form größer als die zugeordnete Manteltiefe und der Kohlenstoffgehalt des Bereichs an dem wenigstens einen zweiten Bereich des eisenhaltigen Metallgegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Bereich ein Fußbereich bzw. ein Wurzelbereich zwischen den Zahnradzähnen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Bereich an benachbarten Abschnitten des Zahnrads angeordnet ist, welche den Wurzelbereich der Zahnradzähne umgeben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manteltiefe des wenigstens einen zweiten Bereichs etwa 0,4 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt an diesem wenigstens einen zweiten Bereich etwa 0,60% beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manteltiefe des wenigstens einen ersten Bereichs etwa 1,2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt in dem Bereich des wenigstens einen ersten Bereichs etwa 0,90% beträgt.
Verfahren zum selektiven Aufkohlen eines eisenhaltigen Metallgegenstands, welches die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines eisenhaltigen Metallgegenstandes, welcher wenigstens einen ersten Bereich und wenigstens einen zweiten Bereich hat; Abdecken des wenigstens einen zweiten Bereichs des eisenhaltigen Metallgegenstands mit einer Schicht eines Beschichtungsmateri als, welches teilweise die Kohlenstoffdiffusion an dem wenigstens einen zweiten Bereich des Metallgegenstands in einer Aufkohlungsatmosphäre behindert; Aufkohlen des eisenhaltigen Metallgegenstands, wobei der wenigstens eine zweite Bereich mit dem Beschichtungsmaterial bedeckt ist; selektives Entfernen des Beschichtungsmaterials; wobei wenigstens eine Manteltiefe und ein Kohlenstoffgehalt in einem Bereich des wenigstens einen ersten Bereichs des eisenhaltigen Metallgegenstandes in seiner abschließenden Form verhältnismäßig höher bzw. größer als die Manteltiefe und der Kohlenstoffgehalt an dem wenigstens einen zweiten Bereich des eisenhaltigen Metallgegenstandes sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Bereich ein Fußbereich bzw. Wurzelbereich zwischen den Zahnradzähnen ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Bereich an den benachbarten Abschnitten des Zahnrads liegt, welche den Fußbereich der Zahnradzähne umgeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Manteltiefe des wenigstens einen zweiten Bereichs etwa 0,4 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des wenigstens einen zweiten Bereichs etwa 0,60% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet. dass die Manteltiefe des wenigstens einen ersten Bereiches etwa 1,2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des wenigstens einen ersten Bereiches etwa 0,90% beträgt.