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Die Erfindung betrifft Kugelzapfen und Kugelhülsen und Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Kugelzapfen werden als Bauelemente eines Kugelgelenks in vielen Bereichen der Technik, insbesondere in Lenkungsbaueinheiten und an Fahrwerkselementen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Die Herstellung der Kugelzapfen soll aufgrund der großen Stückzahl kostengünstig sein, wobei gleichzeitig aufgrund des Einsatzes der dazugehörigen Kugelgelenke in sicherheitsrelevanten Bereich des Kraftfahrzeuges die geforderten Festigkeits- und Toleranzbreiten eingehalten werden müssen.
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Die Herstellverfahren der Kugelzapfen lassen sich prinzipiell in spanende sowie spanlose Herstellungsverfahren einteilen. Bei der spanenden Formgebung entstehen größere Mengen an Abfallmaterial, die entsorgt werden müssen. Darüber hinaus entsteht bei der spanenden Bearbeitung von Kugelzapfen der Nachteil, dass die als später als Abfall anfallende Materialmenge zunächst als Halbzeug gekauft werden muss.
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Nachteilig ist außerdem, dass auf den heutzutage üblichen Werkzeugmaschinen keine Taktzeiten möglich sind, die wesentlich über eine Anzahl von acht Stück pro Minute hinausgehen. Bei der spanenden Formgebung ist es darüber hinaus notwendig, dass zumindest der Gewindebereich durch einen Roll- bzw. Walzvorgang bearbeitet wird, wobei zusätzlich zum Glätten des Kugelbereichs eine Roll- bzw. Walzoperation zum Finishing des Kugelbereichs gewählt wird, um die Anforderungen hinsichtlich Oberflächengüte und Maßhaltigkeit einzuhalten. Die Taktzeiten der Roll- bzw. Walzvorgänge liegen ebenfalls im Bereich von ca. acht Stück pro Minute.
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Darüber hinaus ist bei den zum Stand der Technik gehörenden Herstellverfahren nachteilig, dass die Kugelzapfen während ihrer aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Bearbeitungsschritte an verschiedenen Bearbeitungsstationen in Behältern vorgehalten werden, wobei das Hineinfallen der einzelnen Bauteile zu unerwünschten Schlagstellen am Kugelbereich sowie den am Kugelzapfen vorhandenen konusförmigen Teilbereichen führen kann.
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Darüber hinaus sind die Investitionskosten für die Werkzeugmaschinen, die für die bekannten Verfahren zur Herstellung von Kugelzapfen notwendig sind, nicht unerheblich.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Kugelzapfen bekannt, die mehrteilig ausgeführt sind, bei denen jedoch der Montageprozess und die Kontrolle der montierten Kugelzapfen äußerst kostenintensive Vorgänge sind, so dass eine derartige Herstellmethode für die Massenfertigung prinzipiell ungeeignet ist.
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Alternativ zur spanenden Bearbeitung ist es im Stand der Technik bekannt, Kugelzapfen auf kaltem oder warmem Wege durch Pressen herzustellen. Die Pressvorgänge können in Richtung der Längsachse des Kugelzapfens, wobei üblicherweise ein Gratansatz an einem Ende des Kugelzapfenrohlings ausgebildet wird oder waagerecht in einem zweiteiligen Presswerkzeug erfolgen, wobei ein Grat umlaufend um den gesamten Presskörperrohling entsteht.
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Die entstehenden Pressgrate werden im Stand der Technik entsprechend durch eine spanende Nachbearbeitung entfernt.
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Somit entstehen auch bei einer spanlosen Ausformung des Kugelzapfens kosten bzw. zeitintensive Arbeitsgänge bis zu dessen Fertigstellung.
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Um dynamisch hochfeste Kugelzapfen zu erhalten, werden diese nach dem Pressen, Vergüten, Drehen und Walzen typischerweise induktiv gehärtet. Dazu werden die Kugelzapfen einzeln in einen mit einem Wasservorhang abgeschlossenen Kammer im mehr oder weniger reinem Schutzgas durch Induktion am Rand zwischen Kugelauslauf und Kegel innerhalb von 10 bis 15 sec. auf Temperaturen von 900 bis 950°C erwärmt und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Nach dem Härten werden die Zapfen für ca. 2 Stunden bei 160 bis 180°C in einem Ofen angelassen und anschließend auf Risse geprüft.
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Durch diese Wärmebehandlung bleibt der Kugelzapfenkern relativ zäh (das durch die Vergütung entstandene Gefüge ändert sich nicht). Der Rand hingegen wird rein martensitisch und erreicht Härten von ca. 55 HRC. Durch die martensitische Gefügeumwandlung entstehen oberflächliche Druckeigenspannungen, da das Gittervolumen von Martensit um ca. 2% größer ist als das von Ferrit.
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Das Verfahren hat unter anderem folgende Nachteile:
- – Bedingt durch den Kontakt des Zapfens mit dem Abschreckwasser und dem im Wasser gelöstem Sauerstoff kommt es zur teilweise Oxidation des Zapfens. Diese Oxidschicht wirkt sich nachteilig auf die Gelenkeigenschaften (Abdichtung) aus.
- – Bedingt durch die in dem Kühlwasser vorhandenen Eisenpartikel kommt es zur schnellen Korrosionsbildung.
- – Bedingt durch die martensitische Umwandlung am Übergangsbereich zwischen Kugel und Hals kommt es zu einer Wulstbildung auf der Kugel, die sich negativ auf die Dreh- und Kippmomente des Gelenks auswirkt.
- – Bedingt durch die Taktzeiten von 10 bis 15 sec. und die relativ hohen Investitionskosten einer Induktivhärtanlage belaufen sich die Kosten für das Härten auf ca. 0,20 bis 0,40 EUR/Stück.
- – Die Durchlaufzeit des Zapfens durch die Produktion erhöht sich um mehrere Stunden.
- – Das Einstellen der Prozessparameter beim induktiven Härten ist relativ kompliziert. Eine genauere Überprüfung kann erst zwei Stunden nach der Produktion, nämlich nach dem Anlassen der Teile erfolgen.
- – Bedingt durch das Umschütten und Handling entstehen auf den Zapfen Schlagstellen, die sich negativ auf die Gelenkeigenschaften auswirken.
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Die
DE 10 2004 022 248 B4 offenbart des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelelements, insbesondere für zweiteiligen Kugelzapfen, wobei der Zapfen ein Kugelelement und ein Zapfenelement umfasst, wobei das Kugelelement aus vergütungsfreiem Kohlenstoff-Mangan-Stahl mit Mikrolegierungselementen besteht.
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Die
DE 10 2004 061 284 A1 zeigt zudem ein Verfahren zum Erzeugen von Warmbändern aus einem umformbaren, insbesondere gut kalt tiefziehfähigen Leichtbaustahl, bestehend aus den Hauptelementen Si, Al und Mn, der eine hohe Zugfestigkeit und TRIP- und/oder TWIP-Eigenschaften aufweist., wobei die Gehalte in Masse-% für C 0,04 bis <= 1,0, Al 0,05 bis < 4,0, Si 0,05 bis <= 6,0, Mn 9,0 bis <= 30,0, betragen, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, und bei dem eine Schmelze in einer horizontalen Bandgießanlage endabmessungsnah sowie strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband im Bereich zwischen 6 und 15 mm vergossen und anschliessend einer Weiterbehandlung zugeführt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Kugelzapfen ohne spanende Bearbeitung herzustellen, die eine hohe Festigkeit im Hals-/Kegelbereich und damit eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen, ohne diese induktiv zu härte.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Kugelzapfen oder Kugelhülsen aus einem hochmanganhaltigen Stahl enthaltend:
- – Eisen, sowie
- – 9 bis 35 Gew.-% Mangan
- – bis zu 6 Gew.-% Silizium
- – 1 bis 12 Gew.-% Aluminium
- – maximal 0,06 Gew.-% Schwefel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bevorzugte Gehalte für den Mangan liegen im Bereich vom 15 bis 30 Gew.-%.
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Ein bevorzugter Aluminiumgehalt liegt im Bereich von 1 bis 8 Gew.-%. Der Gehalt an Silizium liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 3,5 Gew.-%, mehr bevorzugt von 1,5 bis 3 Gew.-%. Der Stahl kann weitere Elemente enthalten, insbesondere bis zu 1,5 Gew.-% Kohlenstoff sowie ein oder mehr Elemente der folgenden Liste:
- – maximal 0,5 Gew.-% Chrom
- – maximal 0,5 Gew.-% Kupfer
- – maximal 0,5 Gew.-% Cobalt
- – maximal 0,2 Gew.-% Titan
- – maximal 0,5 Gew.-% Molybdän
- – maximal 0,1 Gew.-% Niob
- – maximal 0,01 Gew.-% Bor
- – maximal 0,3 Gew.-% Vanadium
- – maximal 0,1 Gew.-% Stickstoff.
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Bevorzugt weist der Stahl entsprechende weitere Legierungsbestandteile auf, nämlich mindestens eines der folgenden Elemente in mindestens den angegebenen Mengen
- – 0,05 Gew.-% Chrom,
- – 0,05 Gew.-% Kupfer,
- – 0,05 Gew.-% Cobalt,
- – 0,01 Gew.-% Titan,
- – 0,05 Gew.-% Molybdän,
- – 0,01 Gew.-% Niob,
- – 0,0005 Gew.-% Bor,
- – 0,03 Gew.-% Vanadium,
- – 0,01 Gew.-% Stickstoff,
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Auch bei Anwesenheit weiterer Elemente bleiben die weiter oben genannten Grenze für Mangan, Silizium, Aluminium erhalten, d. h. bei Anwesenheit weiterer Elemente verringert sich der Eisengehalt entsprechend.
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Bevorzugt weisen die Stähle trip (Transformation Induced Plasticity) und/oder twip (Twinning Induced Plasticity) Eigenschaften auf.
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Bevorzugt ist der Stahl in nicht kaltverfestigtem Zustand nicht-ferromagnetisch.
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Bevorzugt ist die Biegedauerfestigkeit gemäß DIN 50100 unter wechselnder Beanspruchung (R = –1) > 500 MPa.
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Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Kugelzapfen oder die Kugelhülse eine Kerbschlagarbeit gemäß DIN EN 10045 einer ISO V Probe bei –40°C von > 20 J auf.
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Im Gegensatz zu normalen Vergütungsstählen wie 41CrS4 oder 42CrMoS4 zeigen die erfindungsgemäß eingesetzten Materialien eine hohe Zähigkeit auch nach großer Kaltumformung.
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Erfindungsgemäß kann durch den Einsatz der speziellen Stähle auf das induktive Härten verzichtet werden. Dies bringt eine erhebliche Beschleunigung der Produktion mit sich. Es findet auch keine Oxidation mehr im Abdichtbereich des Kugelzapfens statt. Auch eine Wulstbildung im Übergang zwischen induktivgehärtetem Kugelbereich und dem vergüteten Kugelbereich entfällt. Aufgrund der wesentlich geringeren Investitionen in einer Walzmaschine gegenüber einer Anlage für das induktive Härten kann die Produktion deutlich günstiger erfolgen. Außerdem kann in eine Walzmaschine bis zu 60 Teilen pro Minute hergestellt werden, während in einer Induktionsanlage die Produktionsleistung etwa bei 4 Teilen pro Minute liegt. Zusätzlich kommt hinzu, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Stähle im Vergleich zu Vergütungsstählen als Ausgangsmaterial relativ preiswert sind.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Kugelzapfen oder Kugelhülsen aus einem hochmanganhaltigen Stahl mit der oben angegebenen Zusammensetzung umfassend mindestens die Schritte
- – Schmelzen des Stahls
- – Gießen des Stahls im Block- oder Strangguss
- – Warmwalzen
- – Kaltziehen
- – Umformung.
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Wie oben beschrieben ist eine induktive Härtung im Verfahren nicht erforderlich. Die Umformung befindet bevorzugt in einer mehrstufigen Presse statt.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung eines hochmanganhaltigen Stahls mit folgender Zusammensetzung:
- – Eisen, sowie
- – 9 bis 35 Gew.-% Mangan
- – bis zu 6 Gew.-% Silizium
- – 1 bis 12 Gew.-% Aluminium
- – maximal 0,06 Gew.-% Schwefel
zur Herstellung von Kugelzapfen oder Kugelhülsen.
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Ein weiterer Vorteil dieser Stähle ist die um bis zu 20% gegenüber Eisen reduzierte Dichte. Damit lässt sich ein effektiver Materialleichtbau realisieren.
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Aus diesem Stahl lassen sich durch Schmieden oder Kaltfließpressen Kugelzapfen oder -hülsen jedweder Form und Größe herstellen.
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Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1: chemische Analyse
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Zunächst wurden 4 Stähle chemisch analysiert. Die Analysendaten in Gewichts-% sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
| Nr. | Name | Mangan | Aluminium | Silizium | Kohlenstoff |
| 1145 | X40MnAlSi15-2.5-2.5 (”TRIP”) | 14,8 | 2,37 | 2,21 | 0,41 |
| 1146 | X60MnAlSi24-3-3 (”TWIP”) | 24,6 | 2,94 | 1,16 | 062 |
| 1147 | X110MnAl26-11 (”TRIPLEX”) | 25,9 | 10,9 | - | 1,12 |
| 1224 | X90MnAl21-9 (”TRIPLEX”) | 21,5 | 9,47 | - | 0,92 |
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Beispiel 2: physikalische Eigenschaften
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Anschließend wurden verschiedene physikalische Eigenschaften der oben genannten Stähle untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt, dabei bedeutet n. b. nicht bestimmt, – kein, 0 kaum, + deutlich, ++ starker Ferromagnetismus. Der Elastizitäts-Modul gemessen im Zugversuch an rekristallisierten Proben (E-Mod((ε = 0)) ist zwar deutlich niedriger als der von Eisen/Stahl, dieses wirkt sich aber in keiner Weise negativ auf die Eigenschaften des Gelenks aus, da die aus Kunststoff bestehende Lagerung deutlich nachgiebiger ist als der Kugelzapfen. Die Dichte der untersuchten Stähle ist um bis zu 16% niedriger als die von Vergütungsstahl. Ferner zeigt die Legierung 1146 auch nach mäßiger Kaltumformung keinen Ferromagnetismus. Tabelle 2
| | Schmelznummer |
| 1145 | 1146 | 1147 | 1224 |
| E-Mod(ε = 0) in GPa | 187 | 188 | 154 | 157 |
| Härte HB (rekr.) | 190 | 175 | 315 | n. b. |
| Dichte in g/cm3 rel. auf Fe in % | 7,44
94,6% | 7,37
93.8% | 6,58
83.8% | n. b. |
| Ferromag. ε = 0
Ferromag. ε = 0,4
Ferromag. ε = 0,7 | 0
+
+ | –
–
0 | ++
++
++ | ++
++
++ |
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Beispiel 3: Zugversuche
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Anschließend wurde mit den erfindungsgemäßen Materialien Zugversuche gem. DIN EN 10002 bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den 1 bis 4 dargestellt. Mit zunehmendem logarithmischem Umformgrad (φ) nimmt sowohl die Fließspannung (Rp 0,2) als auch die Zugfestigkeit (Rm) deutlich zu. So konnten Zugfestigkeiten von 1600 MPa bei φ = 0,6 erzielt werden. Überraschender Weise nimmt die Bruchdehnung (A5) trotz der extrem hohen Festigkeit nur geringfügig von 25% auf 10% ab. Für tragende Fahrwerksteile wird eine Mindestdehnung von ca. 8% gefordert. Die Brucheinschnürung (Z) nach Kaltumformung beträgt ca. 50% und ist damit deutlich größer als für Vergütungsstähle mit Festigkeiten im Bereich von 900 MPa.
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Beispiel 4: Druckversuche
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Dann wurden Druckversuche gem. DIN 50106 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den 5 und 6 dargestellt. Alle Proben konnten φ = 0,6 rissfrei gestaucht werden. Dieses ist notwendig, damit aus dem gezogenen Draht die Kugelzapfen durch Kaltflißpressen hergestellt werden können. Je nach Ausgangsgefüge (rekristallisiert s. 5 oder kaltverfestigt s. 6) ergeben sich Druckfließspannungen von 500 MPa bis ca. 1300 MPa.
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Beispiel 5: Zähigkeit
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Anschließend wurden Kerbschlagversuche gemäß DIN EN 10045 an ISO V Proben bei –40°C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt. Nach dem Warmumformen wurden die Proben rekristallisierend geglüht und an Luft zügig abgekühlt. Je nach Umformgrad und Legierung ergeben sich Kerbschlagarbeiten von über 100 J.
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Die warmumgeformte und rekristallisierend geglühte Schmelze 1224 wurde nach dem Glühen einmal an Luft und einmal in Wasser abgeschreckt. Die Ergebnisse der Festigkeit sind in 8 dargestellt. Durch das Abkühlen an Luft steigt die Festigkeit an und die Bruchdehnung nimmt gegenüber der in Wasser abgeschreckten Variante ab.
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Es ergeben sich erhebliche Unterschiede in der Kerbschlagarbeit bei –40°C in Abhängigkeit von der Abkühlung. Die entsprechenden Ergebnisse sind in der 9 dargestellt. Durch ein Abschrecken in Wasser nach der Rekristallisationsglühung lässt sich auch bei der Schmelze 1224 die Kerbschlagarbeit auf über 120 J steigern.
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Durch eine gezielte Alterungsbehandlung (Glühen bei 200°C Für 1 Stunde) erhöht sich beispielsweise bei der Schmelze 1224 nach einer Kaltverformung von φ = 0,42 die Fließspannung um 30 MPa, ohne dass die Dehnungswerte deutlich abnehmen, wie in 10 grafisch dargestellt ist.
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Vergleich der Eigenschaften
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Die Korrelation zwischen Bruchdehnung und Zugfestigkeit der erfindungsgemäß eingesetzten Stähle und der Vergütungsstähle 41Cr4 und 30CrNiMo8 zeigt 11. Alle erfindungsgemäßen Stähle besitzen gleiche oder bessere Dehnung-Festigkeit-Eigenschaften als die Vergütungsstähle, bis zur Festigkeit von bis zu 1600 MPa. Zu beachten ist, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Stähle nicht vergütet, sondern „nur” kaltverfestigt sind.
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Die Korrelation zwischen Kerbschlagarbeit bei –40°C und Zugfestigkeit der patentrelevanten Stähle und der Vergütungsstähle 41Cr4 und 30CrNiMo8 zeigt 12. Alle patentrelevanten Stähle besitzen gleiche oder bessere Zähigkeit-Festigkeit-Eigenschaften als die Vergütungsstähle, besonders die Schmelze 1224 nach Wasserabschrecken.
