DE102008050319A1

DE102008050319A1 - Verfahren zum Härten eines Bauteils

Info

Publication number: DE102008050319A1
Application number: DE200810050319
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Ing. Franz; Jürgen Dr. rer. nat. Güttler; Marcus Dipl.-Ing. Rieth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines Bauteils, insbesondere eines Zahnrades, bei dem eine Oberfläche des weichbearbeiteten, aus Stahl gebildeten Bauteils aufgekohlt wird, wobei das Bauteil anschließend gehärtet und angelassen wird, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche vor der Aufkohlung kaltverfestigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines Bauteils, insbesondere eines Zahnrades, bei dem eine Oberfläche des weichbearbeiteten, aus Stahl gebildeten Bauteils aufgekohlt wird, wobei das Bauteil anschließend gehärtet und angelassen wird Zahnräder werden zur Verbesserung ihres Verschleißverhaltens nach der Weichbearbeitung einsatzgehärtet. Beim Einsatzhärten wird das Bauteil (Zahnrad) zunächst oberflächlich aufgekohlt. Dabei wird bei hoher Temperatur, meist oberhalb von 880°C, Kohlenstoff aus einem Kohlenstoff abgebenden Medium über die Werkstückoberfläche in das Bauteil übertragen. Die Diffusion des Kohlenstoffs erfolgt von der angereicherten Oberfläche in Richtung Kern. Dabei wird ein bestimmter Randkohlenstoffgehalt und eine bestimmte Aufkohlungstiefe erreicht, bis zu der der Kohlenstoff eindiffundiert. Im Anschluss an die Aufkohlung erfolgt ein Härten des Bauteils durch Abschrecken. Dabei ergeben sich eine Randhärte und eine Einsatzhärtetiefe, die vom Randkohlenstoffgehalt und der Aufkohlungstiefe abhängen. Abschließend wird das Bauteil durch Erwärmen angelassen, um Spannungen gezielt abzubauen. Die Randschicht kann nach dem Einsatzhärten beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,8% aufweisen, der zum Kern des Bauteils hin nach dem Fick'schen Gesetz bis zum normalen Kohlenstoffgehalt des Bauteils abnimmt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Härten eines Bauteils anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Härten eines Zahnrades wird eine Oberfläche des aus Stahl gebildeten, weichbearbeiteten Zahnrades aufgekohlt. Anschließend wird das Zahnrad gehärtet und angelassen. Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil der Oberfläche vor der Aufkohlung kaltverfestigt. Die Kaltverfestigung erzeugt Versetzungen, die eine Verfestigung der Randschicht bewirken. Beim anschließenden Erwärmen während des Aufkohlens erfolgt im verfestigten Bereich der Oberfläche bereits beim Überschreiten des Ac1-Umwandlungspunktes eine Kornfeinung durch Rekristallisation. Die Rekristallisation führt zu einem feineren Gefüge in einer Randschicht der Oberfläche und verbesserten mechanischen Eigenschaften. Korngrenzen in der Randschicht bleiben auch bei der Umwandlung in Austenit beständig. Nachdem der Kohlenstoff während des Aufkohlens in die Randschicht diffundiert ist, erfolgt das Abschrecken (Härten) des Zahnrades. Dabei entsteht ein feineres Martensit-Gefüge.
Die Kaltverfestigung führt zu einer Verbesserung und Beschleunigung der Diffusion von Kohlenstoff in die Randschicht der Oberfläche beim Aufkohlen. Dadurch werden eine höhere Randhärte sowie eine höhere Einsatzhärtetiefe erreicht. Gleichzeitig findet durch die Kaltverfestigung ein Kornfeinungsprozess in der Randschicht statt.
Die gezielte Kornfeinung in der Randschicht führt zu einer Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und der Betriebsfestigkeit. Die Betriebsfestigkeit und die Lebensdauer des Zahnrades kann durch die größere Härte so verbessert werden.
Dies ermöglicht auch die Verwendung billigerer Einsatzstähle zur Herstellung der Zahnräder.
Bei der Weichbearbeitung erfolgt die Formgebung des Zahnrades, beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Zahnrad mit Zahnspitzen, Zahnflanken und Zahngründen.
In 1 ist ein Zahnrad 1 mit Zahnspitzen 2, Zahnflanken 3 und Zahngründen 4 gezeigt. Bei einem Verfahren zum Härten des Zahnrades 1 wird nach einer Weichbearbeitung, bei der das Zahnrad 1 beispielsweise mit einem spanenden Verfahren aus Stahl gebildet wird, eine Kaltverfestigung einer Oberfläche des Zahnrads 1, zumindest im Bereich der Zahnspitzen 2 und Zahnflanken 3 und gegebenenfalls im Bereich der Zahngründe 4 statt.
Die Kaltverfestigung kann beispielsweise mittels Verfestigungs-Kugelstrahlen, mittels Festwalzen oder mittels eines Umformprozesses, insbesondere Nachkalibrieren durchgeführt werden.
Die Tiefe, bis in die die Verfestigung wirkt, hängt dabei vom angewandten Verfahren ab. Beim Verfestigungs-Kugelstrahlen kann die Tiefe beispielsweise in einem Bereich von 20 μm bis 100 μm liegen.
Nach der Kaltverfestigung wird das Zahnrad 1 aufgekohlt. Dabei wird das Zahnrad 1 erwärmt und bei hoher Temperatur oberhalb von Ac3 Kohlenstoff aus einem Kohlenstoff abgebenden Medium über die Werkstückoberfläche in das Zahnrad 1 übertragen.
Beim Überschreiten des Ac3-Umwandlungspunktes kommt es dabei zu einer Kornfeinung durch Rekristallisation im oberflächennahen Randbereich, wodurch die Kohlenstoffdiffusion verbessert wird. Es ergibt sich eine höhere Aufkohlungstiefe als bei nicht kaltverfestigten Oberflächen.
Im Anschluss an die Aufkohlung erfolgt ein Härten des Zahnrads 1 durch Abschrecken. Dabei ergeben sich eine Randhärte und eine Einsatzhärtetiefe, die von einem Randkohlenstoffgehalt und der Aufkohlungstiefe abhängen.
Anschließend wird das Bauteil durch Erwärmen angelassen, um Spannungen gezielt abzubauen. Die Randschicht kann nach dem Einsatzhärten beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,8% aufweisen, der zum Kern des Zahnrads 1 hin nach dem Fick'schen Gesetz bis zum normalen Kohlenstoffgehalt des Zahnrads 1 abnimmt.
Nach dem Abschrecken oder nach dem Anlassen kann eine weitere Kaltverfestigung zum Einbau von Druckeigenspannungen durchgeführt werden, beispielsweise durch Kugelstrahlen.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für Zahnräder, die aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15% (C15-Stahl) bis 0,3% gebildet sind.
Das Verfahren kann nicht nur für Zahnräder 1 sondern auch für andere Bauteile angewandt werden.
Das Verfahren ist auch für Bauteile anwendbar, die nicht einsatzgehärtet werden. Stattdessen kann eine andere Art des Härtens erfolgen, beispielsweise mit einer Erwärmung ohne Aufkohlen.

Claims

Verfahren zum Härten eines Bauteils, insbesondere eines Zahnrades, bei dem eine Oberfläche des weichbearbeiteten, aus Stahl gebildeten Bauteils aufgekohlt wird, wobei das Bauteil anschließend gehärtet und angelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche vor der Aufkohlung kaltverfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung so durchgeführt wird, dass im verfestigten Bereich der Oberfläche während des Aufkohlens beim Überschreiten des Ac1-Umwandlungspunktes eine Kornfeinung durch Rekristallisation auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung durch Verfestigungs-Kugelstrahlen erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung durch Festwalzen erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung durch einen Umformprozess erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformprozess Nachkalibrieren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschrecken oder nach dem Anlassen eine weitere Kaltverfestigung zum Einbau von Druckeigenspannungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zahnrad Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15% bis 0,3% verwendet wird.