DE102007020354B4

DE102007020354B4 - Drehmomentübertragende, kohlenstoffarme Stahlwellen mit verfeinerter Korngröße

Info

Publication number: DE102007020354B4
Application number: DE102007020354A
Authority: DE
Inventors: Shun X. Canton Zhang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: US7481896B2; US20070256766A1; DE102007020354A1

Abstract

Kraftübertragungswelle aus unlegiertem Stahl oder niedriglegiertem Stahl erhältlich nach einem Verfahren umfassend eine Wärmebehandlung der Welle, welche die Schritte umfasst:
a) ein erstes Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
b) ein erstes Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um die Bildung von Bainit und Martensit zu bewirken,
c) ein zweites Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
d) ein zweites Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um zu bewirken, dass sich eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht, die in zumindest einem von dem ersten oder dem zweiten Aufkohlungs-Bainitisieren gebildet wurde, in eine Mikrostruktur umwandelt, die Bainit und Martensit umfasst, und zu bewirken, dass das Innere der Welle eine Mikrostruktur bildet, die hauptsächlich aus Bainit besteht, und
e) Tempern der Welle.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft drehmomentübertragende Wellen aus kohlenstoffarmem Stahl wie z. B. Antriebswellen für Kraftfahrzeuge, und ein Verfahren für ihre Herstellung durch Aufkohlungs-Bainitisieren mit einer Kornverfeinerung.
2. Stand der Technik
Es ist seit vielen Jahrhunderten bekannt, dass die physikalischen Eigenschaften von Stahl stark von seiner thermischen und mechanischen Vorgeschichte abhängig sind. Oft werden Stahlteile in ihrer Endform oder endformnah geliefert und mechanische Verfahren wie z. B. Schmieden, Walzen etc. können somit nicht weiter verwendet werden, um physikalische Eigenschaften zu andern. Allerdings stehen noch immer thermische Behandlungen zur Verwendung bei solchen Teilen zur Verfügung.
Heutzutage ist es bekannt, dass die Mikrostruktur von Metallen und Metalllegierungen relativ komplex sein kann. Es ist bekannt, dass selbst in unlegiertem Stahl und anderen niedriglegierten Stählen, in denen Kohlenstoff der wichtigste Nichteisen-Bestandteil ist, viele verschiedene Phasen vorhanden sind, wie z. B. die kubisch flächenzentrierte Struktur des Austenit und die raumzentrierte, tetragonale Struktur des Martensit ebenso wie ±-Ferrit, Zementit, Ledeburit, Perlit und Bainit. Eine Umwandlung von einer Phase in eine andere kann innerhalb bestimmter Temperaturbereiche stattfinden und oft ist das Ausmaß, in dem eine Umwandlung stattfindet, stark von den Abschreckraten beeinflusst. Wenn die Abschreckrate beispielsweise hoch ist, kann der Stahl z. B. in einer Morphologie „eingefroren” sein, die nicht in Stücke geformt werden kann, die langsam abgekühlt werden. Aus diesen Gründen gibt es unzählige mögliche Wärmebehandlungsverfahren, von denen jedes seine eigene Kombination von physikalischen Eigenschaften wie z. B. Härte, Zugfestigkeit, Dehnung, Duktilität etc. erzeugt. Überdies können Stücke von Stahl mit unterschiedlichen thermischen Vorgeschickten eine ganz unterschiedliche Ermüdungsfestigkeit aufweisen.
Zusätzlich zu Wärmebehandlungen, die abhängig von der Teilegröße und -geometrie die gesamte Struktur beeinflussen können, gibt es Wärmebehandlungen, die in erster Linie das Äußere der Struktur beeinflussen, wie z. B. das Aufkohlen, das zum Oberflächenhärten von Teilen verwendet werden kann („Einsatzhärten”), um ein verschleißbeständigeres und härteres Äußeres kombiniert mit einem duktileren Inneren zu erreichen.
Kraftübertragungswellen müssen stark und ermüdungsfest sein. Die Belastungen, die auf solche Wellen übertragen werden, sind selten konstant und selbst bei Vorrichtungen mit „konstanter Drehzahl” sind die Beanspruchungen im Allgemeinen nicht zyklisch. Auf dem Gebiet von Fahrzeugen können die Beanspruchungen stark variieren. Darüber hinaus besitzen Kraftübertragungswellen oft Merkmale wie z. B. Endverzahnungen, Schmierlöcher etc., die oft die Ermüdungsfestigkeit dieser Punkte schwächen. Die Beständigkeit und Festigkeit gegenüber Ermüdung können für solche Teile erhöht werden, indem ein Stahl aus einer stärkeren Legierung gewählt wird, wobei diese Lösung allerdings beträchtliche zusätzliche Kos ten mit sich bringt. Es kann auch eine Welle mit einem größeren Querschnitt verwendet werden, wobei diese Lösung jedoch mehr Raum benötigt, der oft durch die Konstruktion beschränkt ist, und außerdem mit einem beträchtlichen Gewichtsnachteil einhergeht.
Solche Stähle sind typischerweise induktionsgehärtet, wie in den US-Patenten 6 319 337 und 6 390 924 veranschaulicht, die induktionsgehärteten, niedriglegierten Stahl verwenden. Allerdings hat sich das Induktionshärten mit den stetig zunehmenden Belastungen in Verbindung mit dem Wunsch, das Gewicht so gering wie möglich zu halten, als unzureichend erwiesen, um für die gewünschte Ermüdungsfestigkeit zu sorgen.
Aus der DE 32 35 807 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahl durch eine Wärmebehandlung bekannt, bei dem Stahl bei einer Temperatur von 800 bis 900°C karbonitriert wird, der Stahl danach bei einer Temperatur von 230 bis 300°C abgeschreckt wird und schließlich der Stahl abgekühlt wird.
In der DE 10 2004 037 067 B3 wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl beschrieben, bei dem die Werkstücke einem thermochemischen Diffusionsverfahren, wie einer Aufkohlung, unterzogen werden, wenigstens einer Glühbehandlung ausgesetzt werden, die sich über einen Zeitraum von bis zu 120 Sekunden erstreckt und bei der die Werkstücke jeweils lediglich in ihren Randzonen geglüht werden, und gehärtet oder bainitisiert werden.
Es wäre wünschenswert, Stahl-Kraftübertragungswellen vorzusehen, die eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit bieten, ohne hochlegierte Stähle zu verwenden und ohne die Größe und das Gewicht der Welle zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, dass ein mehrstufiges Wärmebehandlungsverfahren mit einer Zwischenverweilzeit, die eine Umwandlung in ein Gemisch aus Bainit und Martensit zulässt und die zwei Hochtemperatur-Aufkohlungs-Bainitisierungsbehandlungen trennt, für eine stark verbesserte Ermüdungsfestigkeit sorgt. Auf die letzte der Aufkohlungs-Bainitisierungsbehandlungen folgt ein Abschrecken auf ein zusätzliches Niedrigtemperaturregime, wodurch sich die kohlenstoffreiche Einsatzschicht in ein Gemisch aus Bainit und Martensit umwandelt, während das Innere oder der „Kern” im Wesentlichen aus Bainit besteht. Danach werden die Wellen getempert.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraftübertragungswelle aus unlegiertem Stahl oder niedriglegiertem Stahl, welche nach einem Verfahren erhältlich ist, das eine Wärmebehandlung der Welle umfasst, welche die Schritte umfasst:

a) ein erstes Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
b) ein erstes Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um die Bildung von Bainit und Martensit zu bewirken,
c) ein zweites Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
d) ein zweites Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um zu bewirken, dass sich eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht, die in zumindest einem von dem ersten oder dem zweiten Aufkohlungs-Bainitisieren gebildet wurde, in eine Mikrostruktur umwandelt, die Bainit und Mar tensit umfasst, und zu bewirken, dass das Innere der Welle eine Mikrostruktur bildet, die hauptsächlich aus Bainit besteht, und
e) Tempern der Welle.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erhöhen der Ermüdungsfestigkeit einer Kraftübertragungswelle, umfassend die Schritte:

a) Vorsehen einer Kraftübertragungswelle,
b) ein erstes Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
c) ein erstes Abschrecken auf eine Temperatur und Halten bei dieser Temperatur, um die Bildung von Bainit und Martensit zu bewirken,
d) ein zweites Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird,
e) ein zweites Abschrecken auf eine Temperatur und Halten bei dieser Temperatur, um zu bewirken, dass eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht, die in zumindest einem von dem ersten oder dem zweiten Aufkohlungs-Bainitisieren gebildet wurde, eine Mikrostruktur bildet, die Bainit und Martensit umfasst, und zu bewirken, dass das Innere der Welle eine Mikrostruktur bildet, die hauptsächlich aus Bainit besteht, und
f) Tempern der Welle.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Photomikrografie des Inneren einer Drehmomentübertragungswelle der Erfindung, die die Kornstruktur veranschaulicht;
2 ist eine schematische Darstellung des Wärmebehandlungsregimes der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein doppeltes Aufkohlungs-Bainitisieren von Drehmomentübertragungswellen aus niedriglegierten Stählen oder unlegierten Stählen. Beide letztgenannten Stahltypen sind dem Fachmann gut bekannt. Unlegierter Stahl enthält im Allgemeinen kein anderes Hauptlegierungselement als Kohlenstoff und ein Beispiel hierfür ist ein Stahl der Serie SAE/AISI 10xx. Niedriglegierte Stähle besitzen nur geringe Mengen von Legierungselementen und enthalten gemäß ISO-Definition zwischen 1% und 5% von Elementen, die bewusst hinzugefügt werden, um Eigenschaften zu verändern. Nicht einschränkende Beispiele für niedriglegierte Stähle umfassen Stähle der Serien SAE/AISI 41xx, 43xx, 51xx und 86xx. Somit sind Stähle, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, Kohlenstoffstähle, die weniger als etwa 5 Gew.-% absichtlich hinzugefügte Legierungsbestandteile enthalten. Typische Legierungsbestandteile, die in diesen geringen Mengen verwendet werden, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Silizium, Vanadium, Chrom, Mangan, Nickel, Titan, Kobalt und dergleichen.
Dem Fachmann gleicherweise gut bekannt sind Kraftübertragungswellen, die z. B. bei Starrachsen wie auch bei im Wesentlichen ungeschützten Wellen in Fahrzeugen mit Einzelradaufhängung vorzufinden sind. Die Wellen sind allgemein an zumindest einem Ende und oft an beiden Enden kerbverzahnt. Ein Ende kann mit einer Gabel für ein Kreuzgelenk oder ein anderes Befestigungsmittel ausgestattet sein. Beispiele von Kraftübertragungswellen sind in den US-Patenten 6 319 337 ; 6 390 924 und 4 820 241 zu finden, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Solche Wellen können auch in anderen Anwendungen wie z. B. großen Wasserpumpen, stationären Elektrogeneratoren und dergleichen verwendet werden.
Die Wellen werden durch herkömmliche Schmiede- und Maschinenbearbeitungsschritte gebildet und werden danach mittels des Verfahrens der Erfindung wärmebehandelt. Einige Maschinenbearbeitungsschritte können, falls gewünscht, nach der Wärmebehandlung durchgeführt werden, wobei diese Schritte im Allgemeinen aber nicht jene umfassen, bei denen große Mengen von Oberflächenmaterial entfernt werden, da die Mikrostruktur profiliert und nicht über das gesamte Teil konstant ist.
Zuerst werden die Stahlwellen in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt, die eine Austenit-Umwandlung bewirkt, z. B. 925°C ± 50°C. Mittels herkömmlicher Verfahren wird eine kohlenstoffreiche Umgebung bereitgestellt. Dies ist ein Aufkohlungs-Bainitisierungsverfahren, das gut bekannt ist. Die Wellen werden über eine Dauer bei dieser Temperatur gehalten, die ausreicht, damit sich auf der Welle eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht entwickelt, vorzugsweise über eine Dauer von 60 min bis 720 min, bevorzugter 360 min bis 600 min. Die tatsächliche erforderliche Behandlungsdauer kann durch Analyse von behandelten Teilen festgestellt werden und ändert sich im Allgemeinen mit dem Stahltyp wie auch mit der Teilegeometrie, insbesondere der Dicke. Danach werden die Wellen in einer Salzschmelze schnell auf eine Temperatur abgeschreckt, bei der eine Phasenumwandlung von Austenit zu einem Gemisch aus Bainit und Martensit erfolgt, z. B. 200°C ± 50°C. Die Dauer dieser Zwischen-„Verweilzeit” beträgt vorzugsweise 30 min bis 120 min, bevorzugter 30 min bis 45 min und ist, wie beim Aufkohlungs-Bainitisieren sowohl substrat- als auch formabhängig.
Nachfolgend auf die Zwischenverweilzeit wird die Welle erneut aufkohlungs-bainitisiert, z. B. bei 925°C ± 50°C, jedoch für eine kürzere Zeit als vorher, z. B. über eine Dauer von 60 min bis 240 min, vorzugsweise von 60 min bis 120 min, und dann erneut auf 200°C ± 50°C abgeschreckt und bei dieser Temperatur gehalten, wodurch bewirkt wird, dass sich die Einsatzschicht in eine Mikrostruktur umwandelt, die sowohl Bainit als auch Martensit enthält, und der Kern sich hauptsächlich in Bainit umwandelt. Die Welle wird für eine Zeit in dem Medium gehalten, die ausreicht, damit diese Übertragung erfolgen kann, z. B. 120 min bis 480 min, vorzugsweise 240 min bis 360 min.
Dann werden die Wellen getempert, z. B. bei 225°C ± 50°C, vorzugsweise über 30 min bis 150 min, bevorzugter 60 min bis 120 min. Eine schematische Darstellung des gesamten Verfahrens ist in 2 veranschaulicht.
Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung kann ein besseres Verständnis durch Bezugnahme auf bestimmte spezifische Beispiele erlangt werden, die hierin lediglich für Illustrationszwecke vorgesehen sind und, wenn nicht anders angegeben, als nicht einschränkend zu betrachten sind.
Eine Serie von identischen Lastschaltgetriebe-Ausgangswellen aus SAE/AISI 8620 Stahl und mit einer Länge von 18 Zoll, wie sie in dem Getriebe 4L70E von General Motors verwendet werden, wurde in einer einzi gen Stufe aufkohlungs-bainitisiert (Vergleichsbeispiele C1–C6) und zyklischen Drehmomentbelastungen bei einer Frequenz von 5 Hz unterzogen, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.

Ebenfalls getestet wurden Wellen, die durch das Verfahren der gegenständlichen Erfindung doppelt aufkohlungs-bainitisiert wurden. Das erste Aufkohlungs-Bainitisieren fand bei 925°C über 495 min statt, gefolgt von einem Abschrecken in Medien auf 200°C und Halten für 30 min. Danach wurde die Welle wieder in dem Ofen angeordnet und zum zweiten Mal bei 925°C über 60 min aufkohlungs-bainitisiert, gefolgt von einem Abschrecken auf 200°C und Halten für 260 min. Dann erfolgte ein Tempern bei 225°C für 110 min. Die Ergebnisse des Ermüdungsversuches sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Beispiel	Max (Nm)	Min (Nm)	Beschreibung	Lebenszyklen	Zunahme %
C1	1762	–1762	einfach aufkohlungs-bainitisiert	97489	-
1	1762	–1762	doppelt wärmebehandelt	169245	74
C2	1762	–1762	einfach aufkohlungs-bainitisiert	118198	-
2	1762	–1762	doppelt wärmebehandelt	156887	33
C3	1545	–1545	einfach aufkohlungs-bainitisiert	200003	-
3	1545	–1545	doppelt wärmebehandelt	440972	120
C4	1545	–1545	einfach aufkohlungs-bainitisiert	447540	-
4	1545	–1545	doppelt wärmebehandelt	509131	14
C5	1328	–1328	einfach aufkohlungs-bainitisiert	1290084	-
5	1328	–1328	doppelt wärmebehandelt	2000000	554+
C6	1328	–1328	einfach aufkohlungs-bainitisiert	1301786	-
6	1328	–1328	doppelt wärmebehandelt	2950000	127+

* Versuch beendet

Die Ergebnisse zeigen an, dass auf Grund der Wärmebehandlung der gegenständlichen Erfindung eine sehr deutliche Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit erfolgt. Im Durchschnitt war die Ermüdungsfestigkeit, wie durch die Anzahl von Zyklen vor einem Schaden angezeigt, um etwa 70% größer. Schäden traten, wie erwartet, im Allgemeinen an einem 4 mm-Schmierloch oder in der Nähe einer Kerbverzahnung auf.
Während Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Der in der Beschreibung verwendete Wortlaut dient vielmehr der Beschreibung als einer Einschränkung und es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kraftübertragungswelle aus unlegiertem Stahl oder niedriglegiertem Stahl erhältlich nach einem Verfahren umfassend eine Wärmebehandlung der Welle, welche die Schritte umfasst: a) ein erstes Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird, b) ein erstes Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um die Bildung von Bainit und Martensit zu bewirken, c) ein zweites Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird, d) ein zweites Abschrecken auf eine Temperatur, bei der sich Bainit und Martensit bilden, und ein Halten bei dieser Temperatur, um zu bewirken, dass sich eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht, die in zumindest einem von dem ersten oder dem zweiten Aufkohlungs-Bainitisieren gebildet wurde, in eine Mikrostruktur umwandelt, die Bainit und Martensit umfasst, und zu bewirken, dass das Innere der Welle eine Mikrostruktur bildet, die hauptsächlich aus Bainit besteht, und e) Tempern der Welle.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei das Aufkohlungs-Bainitisieren a) und c) bei einer Temperatur von 925°C ± 50°C durchgeführt wird.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei das erste Abschrecken und das zweite Abschrecken auf eine Temperatur von 200°C ± 50°C erfolgen.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei das erste Aufkohlungs-Bainitisieren über eine Dauer von 60 min bis 720 min und bevorzugt über eine Dauer von 360 min bis 600 min stattfindet.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei das zweite Aufkohlungs-Bainitisieren über eine Dauer von 60 min bis 240 min und bevorzugt über eine Dauer von 60 min bis 120 min stattfindet.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei das Halten nach dem ersten Abschrecken 30 min bis 120 min lang und bevorzugt 30 min bis 45 min lang stattfindet.
Kraftübertragungswelle nach Anspruch 1, wobei ein äußerer Abschnitt der Welle im Vergleich zu dem Inneren der Welle mit Kohlenstoff angereichert ist und ein Gemisch aus Bainit und Martensit umfasst und das Innere der Welle Bainit umfasst.
Verfahren zum Erhöhen der Ermüdungsfestigkeit einer Kraftübertragungswelle, umfassend die Schritte: a) Vorsehen einer Kraftübertragungswelle, b) ein erstes Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird, c) ein erstes Abschrecken auf eine Temperatur und Halten bei dieser Temperatur, um die Bildung von Bainit und Martensit zu bewirken, d) ein zweites Aufkohlungs-Bainitisieren bei einer Temperatur, bei der Austenit gebildet wird, e) ein zweites Abschrecken auf eine Temperatur und Halten bei dieser Temperatur, um zu bewirken, dass eine kohlenstoffreiche Einsatzschicht, die in zumindest einem von dem ersten oder dem zweiten Aufkohlungs-Bainitisieren gebildet wurde, eine Mikrostruktur bildet, die Bainit und Martensit umfasst, und zu bewirken, dass das Innere der Welle eine Mikrostruktur bildet, die hauptsächlich aus Bainit besteht, und f) Tempern der Welle.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufkohlungs-Bainitisieren b) und d) bei einer Temperatur von 925°C ± 50°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Abschrecken und das zweite Abschrecken auf eine Temperatur von 200°C ± 50°C erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Aufkohlungs-Bainitisieren über eine Dauer von 60 min bis 720 min und bevorzugt über eine Dauer von 360 min bis 600 min stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zweite Aufkohlungs-Bainitisieren über eine Dauer von 60 min bis 240 min und bevorzugt über eine Dauer von 60 min bis 120 min stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Halten nach dem ersten Abschrecken 30 min bis 120 min lang und bevorzugt 30 min bis 45 min lang stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein äußerer Abschnitt der Welle im Vergleich zu dem Inneren der Welle mit Kohlenstoff angereichert wird und ein Gemisch aus Bainit und Martensit umfasst und das Innere der Welle Bainit umfasst.