DE102010030145A1

DE102010030145A1 - Reducing distortion of case hardened or carbonitrided components, comprises using hardness protection paste, which is applied before case hardening or the carbonitriding of the components on distinct regions of components

Info

Publication number: DE102010030145A1
Application number: DE102010030145A
Authority: DE
Inventors: Dr. Küper Arnim
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Reducing distortion of case hardened or carbonitrided components, comprises using a hardness protection paste to reduce distortion, which is applied before the case hardening or the carbonitriding of the components on distinct regions of the components, which does not require case hardening from the technical load point of view. An independent claim is also included for use of hardness protection paste for reducing distortion of case hardened or carbonitrided components.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verzugsreduzierung einsatzgehärteter oder carbonitrierter Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components according to the preamble of patent claim 1.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, hochbelastete Bauteile, beispielsweise hochbelastete Getriebebauteile einsatzgehärtet auszuführen. Einsatzhärten resultiert in sehr hohen Werten bezüglich Schwingfestigkeit, Walzfestigkeit, Abrasionsverschleisswiderstand und Schlagfestigkeit.It is known from the prior art to design highly stressed components, for example, case-hardened highly loaded gear components. Case hardening results in very high levels of fatigue strength, rolling strength, abrasion resistance and impact resistance.

Das Einsatzhärten ist ein kombiniertes Härteverfahren, das insbesondere bei hochbelasteten Getriebe- und Maschinenbauteilen angewendet wird und dessen Grundlage das Aufkohlen in einem Kohlenstoff abgebenden Medium bei Temperaturen bis zu über 1000°C ist. Nach der gezielten Anreicherung der Werkstückoberfläche durch Diffusion mit Kohlenstoff werden die Werkstücke gehärtet und dann angelassen. Durch das Auftragen einer Schutzpaste vor dem Aufkohlen können einzelne Bauteilbereiche, beispielsweise Verzahnungen oder Gewinde, partiell vor der Aufkohlung geschützt werden, wobei die Oberflache dieser vor Aufkohlung geschützten Bereiche nach dem Härten eine vergleichbare Härte und Zähigkeit wie das Kernmaterial aufweist.Case hardening is a combined hardening process that is particularly applied to highly loaded gear and machine components and whose basis is carburizing in a carbon emitting medium at temperatures up to over 1000 ° C. After the targeted enrichment of the workpiece surface by diffusion with carbon, the workpieces are hardened and then tempered. By applying a protective paste before carburizing individual component areas, such as gears or threads can be partially protected from carburization, the surface of these carburized protected areas after curing has a hardness and toughness comparable to the core material.

Der Prozess des Einsatzhärtens wird nach dem Schmieden und Weichbearbeiten eines Bauteils bei hohen Temperaturen, in der Regel zwischen 860°C und –980°C, durchgeführt.The process of case hardening is performed after forging and soft working a part at high temperatures, typically between 860 ° C and -980 ° C.

Als besondere Art des Einsatzhärtens wird oft Carbonitrieren angewandt. Hierbei wird neben Kohlenstoff gleichzeitig in geringeren Mengen Stickstoff in die Randschicht des Bauteils eindiffundiert; der Stickstoff wirkt in der Regel als Legierungselement in den Randbereichen des Bauteils, wodurch die Randhärtbarkeit verbessert wird. Auf diese Weise wird die Verwendung billigerer Stähle ermöglicht.Carbonitriding is often used as a special type of case hardening. In addition to carbon, nitrogen is simultaneously diffused into the surface layer of the component in smaller quantities; The nitrogen usually acts as an alloying element in the edge regions of the component, whereby the edge hardenability is improved. This allows the use of cheaper steels.

Die hohen Prozesstemperaturen, die gewollten Gefügeänderungen im Werkstoff, die Vorgeschichte und die Geometrie des Bauteils führen dabei stets zu Maß- und Formänderungen des Bauteils; dieser Effekt wird als Bauteilverzug bezeichnet und hat bei präzisen Anforderungen in der Regel eine kostenintensive Nacharbeit in Form von Hartbearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Schleifen, Hartdrehen oder Richten zur Folge.The high process temperatures, the desired structure changes in the material, the history and the geometry of the component always lead to dimensional and dimensional changes of the component; this effect is referred to as component distortion and has for precise requirements usually costly rework in the form of hard machining processes, such as grinding, hard turning or straightening result.

Als besonders hoch erweist sich das Verzugspotenzial bei Bauteilen, die asymmetrisch sind und/oder starke Querschnittsübergänge aufweisen, da in diesen Fällen die zeitlich und örtlich unterschiedlichen Umwandlungsvorgänge besonders hoch sind. Beispielsweise ist aus der Tellerradfertigung bekannt, dass die Gestaltung des Tellerradgrundkörpers einen Einfluss auf den Verzug der Spiralverzahnung nimmt. Wenn das Umwandlungsverhalten des Grundkörpers signifikant verändert wird, wirkt sich dies auch unmittelbar auf den Verzug der Verzahnung aus.The warping potential for components which are asymmetrical and / or have strong cross-sectional transitions is particularly high, since in these cases the temporally and spatially different conversion processes are particularly high. For example, it is known from the Tellerradfertigung that the design of the Tellerradgrundkörpers takes an influence on the distortion of the spiral teeth. If the conversion behavior of the main body is significantly changed, this also has an immediate effect on the distortion of the gearing.

Aus der DE 10 2004 058 634 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum partiellen Einsatzhärten von rotationssymmetrischen, ganz oder teilweise schraubenförmigen oder verzahnten Bauteilen bekannt, die nach dem Einsatzhärten in den Bereichen, die am Fertigteil nicht einsatzgehärtet vorliegen sollen, kurzzeitig geglüht werden. Hierbei liegt die Glühtemperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 300°C und 700°C.From the DE 10 2004 058 634 A1 the applicant is a method for partial case hardening of rotationally symmetrical, wholly or partially helical or toothed components known that are annealed for a short time after case hardening in the areas that are not hardened on the finished part to be present. Here, the annealing temperature is preferably in the range between 300 ° C and 700 ° C.

Aus der DD 286189 B5 ist bekannt, als Schutzmittel gegen Verzunderung bzw. Oxydation an den blanken, fertig bearbeiteten Bauteilfunktionsflächen eines Bauteils eine knetbare Masse, bestehend aus je zwei Volumenanteilen Kochsalz, Baugips und Zellleim-Granulat und ein Volumenanteil Wasser zu verwenden. Hierbei werden die zu schützenden Flächen vor dem Wärmebehandlungsprozess mit einer mindestens 6 mm dicken Schicht dieses Schutzmittels abgedeckt, wodurch eine ausreichende Sicherheit gegen Verzunderung erzielt werden soll.From the DD 286189 B5 It is known to use as a protection against scaling or oxidation of the bare finished machined component functional surfaces of a component a kneadable mass, consisting of two volumes of saline, building plaster and cellulose glue granules and a volume fraction of water. Here, the surfaces to be protected are covered before the heat treatment process with a layer of this protective agent at least 6 mm thick, whereby adequate protection against scaling is to be achieved.

Ferner geht aus der AT 170617 B eine Schutzpaste zum Verhindern einer Aufkohlung von stählernen Werkstücken beim Einsatzhärten hervor, bestehend aus Kaolin, Wasserglas, Kalilauge, Bentonit, zinnsaurem Natron und antimonsaurem Kali, bei der der Anteil an zinnsaurem Natron und antimonsaurem Kali, bei einem Mischungsverhältnis dieser beiden Substanzen von 1:9, 2,5–7,5% von der Summe der Gewichtsmengen der übrigen Bestandteile der Schutzpaste beträgt.Furthermore, goes from the AT 170617 B a protective paste for preventing carburization of steel workpieces during case hardening, consisting of kaolin, water glass, potassium hydroxide, bentonite, citrate and antimony acid Kali, in which the proportion of cinnabar sodium and antimony acid Kali, with a mixing ratio of these two substances of 1: 9 , 2.5-7.5% of the sum of the amounts by weight of the remaining constituents of the protective paste.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verzugsreduzierung einsatzgehärteter oder carbonitrierter Bauteile anzugeben, durch dessen Durchführung ein Bauteilverzug auf einfache und kostengünstige Weise minimiert werden kann.The object of the present invention is to specify a method for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components, by means of which a component distortion can be minimized in a simple and cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.This object is solved by the features of claims 1 and 5. Further embodiments and advantages of the invention will become apparent from the corresponding dependent claims.

Demnach wird ein Verfahren zur Verzugsreduzierung einsatzgehärteter oder carbonitrierter Bauteile vorgeschlagen, im Rahmen dessen zur Verzugsreduzierung eine Härteschutzpaste verwendet wird, die vor dem Einsatzhärten bzw. dem Carbonitrieren der Bauteile auf einzelne Bereiche der Bauteile, die aus belastungstechnischer Sicht keine Einsatzhärtung erfordern, aufgetragen wird, wodurch ein Einsatzhärten bzw. ein Carbonitrieren dieser Bereiche verhindert wird.Accordingly, a method for reducing the distortion of case-hardened or carbonitriertes components is proposed in the context of distortion reduction a hardness protective paste is used, which is applied prior to case hardening or carbonitriding of the components to individual areas of the components that require no hardening hardening from a stress point of view, whereby one Case hardening or carbonitriding these areas is prevented.

Durch das Verhindern des Aufkohlens, d. h. des Einsatzhärtens dieser Bereiche wird der Verzug des Bauteils minimiert, was dazu führt, dass eine erforderliche kostenintensive Nacharbeit des Bauteils in Form von Hartbearbeitungsverfahren weitgehend reduziert wird.By preventing carburization, i. H. the case hardening of these areas, the distortion of the component is minimized, which means that a required costly reworking of the component in the form of hard machining process is largely reduced.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die mit der Härteschutzpaste zu bepastenden Bereiche des Bauteils durch empirische Versuche oder durch Simulation des Umwandlungs- und Verzugsverhaltens ermittelt werden.According to a development of the invention, the regions of the component which are to be pasted with the hardening paste can be determined by empirical tests or by simulation of the transformation and distortion behavior.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Umwandlungsverhalten des Grundkörpers eines Bauteils, der in der Regel keine gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Schwingfestigkeit, Walzfestigkeit, Abrasionsverschleisswiderstand und Schlagfestigkeit genügen soll, beispielsweise des Grundkörpers eines Tellerrads, gezielt beeinflusst werden, indem durch die lokal aufgetragenen Härteschutzpasten eine Eindiffusion des Kohlenstoffes und ggf. des Stickstoffs verhindert wird; dadurch wird die chemische Zusammensetzung des Grundkörpers gegenüber dem ganzheitlich aufgekohlten Zustand lokal verändert.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the conversion behavior of the basic body of a component, which is generally intended to satisfy no increased requirements with regard to fatigue strength, rolling strength, abrasion wear resistance and impact resistance, for example the basic body of a crown wheel, can be influenced in a targeted manner by the design according to the invention locally applied hard protective pastes prevents diffusion of the carbon and possibly of the nitrogen; As a result, the chemical composition of the body is locally changed compared to the holohedral state.

Durch die durch die Härteschutzpaste veränderte lokale chemische Zusammensetzung werden neben der Geometrie das zeitliche Umwandlungsverhalten und die entstehenden Spannungen und plastischen Deformationen bestimmt, die als Verzug des Bauteils nach der Wärmebehandlung zurückbleiben. Erfindungsgemäß wird durch die lokale Verhinderung des Aufkohlens des Grundkörpers der Verzug des Bauteils weitgehend minimiert, da der Grundkörper dem in einem hohen Verzug resultierenden Prozess des Einsatzhärtens nicht ausgesetzt wird.Due to the modified by the hardening paste local chemical composition in addition to the geometry of the temporal transformation behavior and the resulting stresses and plastic deformations are determined, which remain as distortion of the component after the heat treatment. According to the invention, the distortion of the component is largely minimized by the local prevention of carburizing of the base body, since the base body is not exposed to the case-hardening process resulting in a high degree of distortion.

Als Härteschutzpasten zur Verzugsreduzierung einsatzgehärteter oder carbonitrierter Bauteile können aus dem Stand der Technik bekannte Härteschutzpasten verwendet werden. Wie bereits erläutert, wird die Härteschutzpaste vor dem Einsatzhärten bzw. dem Carbonitrieren der Bauteile auf einzelne Bereiche der Bauteile, die aus belastungstechnischer Sicht keine Einsatzhärtung erfordern, aufgetragen.As hardening protective pastes for delay reduction of case-hardened or carbonitrided components, hardening protective pastes known from the prior art can be used. As already explained, before the case hardening or the carbonitriding of the components, the hardening protective paste is applied to individual regions of the components which do not require case hardening from a load engineering point of view.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise für den Fall eines Tellerrades; hierbei resultiert die Minimierung des Verzugs des Grundkörpers unmittelbar in einer Reduzierung des Verzugs der Verzahnung.The procedure proposed according to the invention for the case of a crown wheel proves to be particularly advantageous; In this case, the minimization of the distortion of the body results directly in a reduction of the distortion of the toothing.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004058634 A1 [0008]
DD 286189 B5 [0009]
AT 170617 B [0010]

Claims

Process for reducing the distortion of case - hardened or carbonitrided components, characterized in that a hardening paste is used to reduce distortion, which is applied to individual areas of the components prior to case hardening or carbonitriding of the components which do not require case hardening from a load engineering point of view, thereby hardening or hardening the case Carbonitriding these areas is prevented.

Process for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components, according to claim 1, characterized in that the to be pasted with the hard paste areas of the component are determined by empirical experiments or by simulation of the conversion and distortion behavior.

Process for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components, according to claim 1 or 2, characterized in that the hardening paste is applied to the base body of the components.

Process for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components, according to claim 3, characterized in that in the case of a crown wheel, the hard protective paste is applied to the main body of the ring gear.

Use of a hard protective paste for reducing the distortion of case-hardened or carbonitrided components, wherein the hardening protective paste is applied to individual areas of the components prior to case hardening or carbonitriding, which do not require case hardening from a load engineering point of view.

Use of a hard protective paste for delay reduction of case-hardened or carbonitrided components, according to claim 5, characterized in that the Härteschutzpaste is applied to the main body of the components.

Use of a hard protective paste for delay reduction case hardened or carbonitrierter components, according to claim 6, characterized in that in the case of a ring gear, the hard paste is applied to the main body of the ring gear.